Стрелок-радист вел огонь через небольшие круглые окошечки, расположенные по бортам кабины. Известны случаи, когда физически очень сильные стрелки стреляли из этого пулемета «с рук» через верхний люк кабины, прикрытый от набегающего потока небольшим откидным козырьком. Изменялись также электро — и гидросистемы, бензосистема и т.п.
С осени 1941 г. Пе-2 уже активно применялись на всех фронтах, а также в морской авиации Балтийского и Черноморского флотов. Формирование новых частей велось ускоренными темпами. Для этого привлекали наиболее опытных летчиков, в том числе летчиков-испытателей НИИ ВВС, из которых был сформирован отдельный полк самолетов Пе-2 (410-й). Во время контрнаступления под Москвой Пе-2 уже составляли примерно четверть' от сосредоточенных для операции бомбардировщиков. Однако количество выпускаемых бомбардировщиков оставалось еще недостаточным. В 8-й воздушной армии под Сталинградом на 12 июля 1942 г. из 179 бомбардировщиков имелось всего 14 Пе-2 и один Пе-3, т.е. около 8 %.
Полки Пе-2 часто перебрасывали с места на место, используя их на наиболее опасных участках. Под Сталинградом прославился 150-й полк полковника И.С.Полбина (впоследствии генерала, командира авиакорпуса). Этот полк выполнял наиболее ответственные задачи. Хорошо освоив бомбометание с пикирования, летчики днем наносили мощные удары по противнику. Так, например, у хутора Морозовский было уничтожено крупное бензохранилище. При организации немцами «воздушного моста» в Сталинград пикировщики участвовали в уничтожении немецкой транспортной авиации на аэродромах. 30 декабря 1942 г. шесть Пе-2 150-го полка сожгли в Тормосине 20 немецких трехмоторных самолетов Юнкерс Ju52/3m. Зимой 1942–1943 гг, пикировщик ВВС Балтийского флота разбомбили мост через Нарву, резко затруднив снабжение немецких войск под Ленинградом (мост восстанавливали месяц).
В ходе «боев изменялась и тактика советских пикировщиков. В конце Сталинградской битвы уже применялись ударные группы по 30 -70 самолетов вместо прежних «троек» и «девяток».