К началу Великой Отечественной войны советская авиация вообще не располагала ни одним типом серийного двухмоторного истребителя. А нужда в них быстро появилась, хотя акценты расставлялись уже по-другому, нежели на ВИ-100. В первую очередь требовался истребитель с большой продолжительностью полета и соответственно, большой дальностью. Из-за отсутствия на фронте подобных машин в качестве дальних истребителей иногда использовали бомбардировщики Пе-2 - быстроходные, достаточно маневренные и с довольно сильным вооружением. Например, пикировщики 40-го бомбардировочного полка прикрывали идущие в Севастополь конвои за пределами радиуса действия одномоторных машин. На первых серийных Пе-2, кроме того, сохранялись "рудименты" ВИ-100. В частности, эти самолеты сохраняли возможность нести съемные кассеты К-76 или К-100, которые теперь описывались как предназначенные для действий по скоплениям пехоты, автоколоннам или районам высадки морских десантов.

Но Пе-2 не мог заменить "настоящий" двухмоторный истребитель. Зато мог стать основой для него. Использование в качестве базы уже освоенной заводами машины в условиях войны обеспечивало быстрый запуск самолета в производство и удовлетворение наиболее насущных нужд ВВС. Унификация истребителя и бомбардировщика позволяла сделать внедрение машины в серию безболезненно, не нарушая все увеличивающийся поток Пе-2 на сборочных линиях.

2 августа 1941 г. ГКО дал Петля-кову задание представить истребительный вариант пикировщика. На работу дали всего четыре дня - машину требовалось представить уже 6 августа . И уже 7-го новый самолет, названный Пе-3, совершил первый полет. За четыре дня успели немало. Самолет стал двухместным (на Пе-2 членов экипажа было три). Заднюю кабину стрелка-радиста ликвидировали, удалив верхний люк и бортовые иллюминаторы. Бомбодержатели в бомбоотсеке сняли. Их место занял дополнительный бак на 250 л бензина. Еще два бака по 225 л поставили в бывшей кабине стрелка. Все это обеспечивало дальность полета около 2000 км. Интересно, но нижний люк в задней кабине оставили, поскольку оставшееся пространство позволяло использовать отсек для груза или перевозки наземного состава при перебазировании. Недостаточное вооружение усилили. Серийные Пе-2 в то время несли в носу с одного борта ШКАС, а с другого крупнокалиберный БК. На истребителе под одним Б К добавили второй с тем же боезапасом 150 патронов. Оборонительное вооружение теперь состояло из пулемета ШКАС на турели ТСС-1 (скопированной в свое время с немецкого оригинала) у штурмана и установки второго, неподвижного ШКАС в хвостовом коке с боекомплектом из 250 патронов. Эту установку выполнили по образцу, спроектированному для "сотки". Бомбовая нагрузка за счет фактической ликвидации основного бомбоотсека существенно уменьшилась - нормальная до 400 кг, а перегрузочная до 700 кг. Бомбы теперь подвешивались на двух наружных держателях и в маленьких бомбоот-секах в хвостовых частях мотогондол. Ликвидировали и электробомбосбрасыватель ЭСБР-6, оставив только аварийный механический ДСШЛ-340.

Вообще, на опытном Пе-3 для облегчения много чего поснимали. Самолет лишился тормозных решеток и автомата пикирования, двух наружных бомбодержателей, радиополукомпаса РПК-2, фотоаппарата, переговорного устройства СПУ-3. Мощную радиостанцию РСБ-бис поменяли на маленькую РСИ-4, ставившуюся на истребителях. Понятно, что конструкторы хотели сэкономить побольше, но внедрение РСИ-4 явно не согласовывалось с увеличением радиуса действия самолета.

Заводские испытания Пе-3 были необычайно краткими - всего один день. На следующий день полковник В.А.Степанчонок выполнил чрезвычайно сжатую сдаточную программу, а уже 10 августа машина начала проходить государственные испытания в НИИ ВВС. Там тоже не "тянули кота за хвост", уложившись за четыре дня. Летал на Пе-3 полковник Кабанов. Начальная скорость Пе-3 оказалась 530 км/ч, потолок 9000 м и дальность полета 2150 км. Эти данные были не выдающимися, но вполне приемлемыми. Основным недостатком "тройки" являлось слабое вооружение. Bf 1 ЮС, несший в носу две 20-мм пушки и четыре 7,9-мм пулемета, прилично превосходил Пе-3 по весу секундного залпа. Более тяжелый советский истребитель уступал "мессершмитту" и по маневренности.

Почти параллельно с построенным по официальному заданию Пе-3 появился и другой истребительный вариант Пе-2. Завод №22 по собственной инициативе переделал одну машину в подобную модификацию Пе-2И. Он был похож и непохож на Пе-3. Экипаж Пе-2И также состоял из двух человек - пилота и штурмана. Боковые окна и верхний люк в кабине стрелка зашили, убрав внутри все оборудование. Внутрифюзеляжные бомбодержатели Дер-21 тоже сняли, а пару наружных замков приспособили под подкрыльные подвесные бензобаки. Два таких бака по 180 л можно бывало сбросить после выработки горючего. Еще один дополнительный бак-цилиндр на 240 л разместили в кабине стрелка. На 70 л увеличили емкость баков в центроплане. В итоге запас топлива возрос до 1810л (у серийного Пе-2 - 1500 л), а с подвесными баками - до 2170 л. Бомбоотсек у Пе-2И не пустовал. Под ним смонтировали две пушки ШВАК, а ящики с боезапасом (по 160 снарядов) разместили внутри. В пушечной установке использовали узлы крыльевых установок штурмовика Ил-2. Для удобства обслуживания вся установка опускалась вниз вместе с несущей рамой. Стандартное неподвижное вооружение Пе-2 - один ШКАС и один БК в носу, тоже сохранили. У штурмана стоял все тот же ШКАС на турели ТСС-1. Зато вместо неподвижного ШКАСа в хвостовом коке Пе-3 самолет завода №22 оснащался неподвижным же БК, смонтированным в обычном обтекателе турели ЛуПе-2 на месте старого БТ. Крупнокалиберный пулемет установили с небольшим (5 град.) наклоном вниз. Боезапас по сравнению с люковой установкой бомбардировщика уменьшили вдвое - до 100 патронов. Стрелял из нижнего пулемета штурман. Такое решение, конечно, ни в коем случае нельзя считать рациональным. Столь мощное оружие как БК,оказывалось в роли примитивного "пугача". Скорее всего, на заводе исходили из минимума переделок по сравнению с серийным бомбардировщиком. Бомбовая нагрузка Пе-2И составляла всего 200 кг. Две бомбы по 100 кг можно было подвешивать на замках ДЗ-40 в мотогондолах. Так же как на Пе-3, конструкторы завода №22 избавились от электробомбосбрасывателя, тормозных решеток, автомата пикирования,радиополукомпаса, ночного бомбового прицела НКПБ-4, заменили радиостанцию. Однако, за счет более мощного вооружения полетный вес Пе-2И получился больше, чем у Пе-3 (8230 кг против 7860 кг)."