Появление Пе-3 стало символом кризиса и вынужденных решений первых месяцев войны. СССР остро нуждался в дальнем истребителе для перехвата бомбардировщиков и разведчиков, но готового проекта не было. В октябре 1941 года конструкторы за семь дней переделали фронтовой бомбардировщик Пе-2 в двухмоторный истребитель. Машина вышла сырой: слабое вооружение, отсутствие брони, нехватка топливных баков. Но на фронт она пошла немедленно — просто потому, что другого варианта не существовало.
Рождение Пе-3 было результатом жесточайшей необходимости. К августу 1941 года немецкие разведчики свободно летали над Москвой ночами: прожектора не доставали, зенитная артиллерия промахивалась, а одноместные истребители не имели ни дальности, ни оборудования для поиска целей в темноте. Требовался тяжёлый двухмоторный перехватчик с двумя членами экипажа, способный часами барражировать и нести мощное вооружение. Все подобные проекты существовали лишь в эскизах — Та-3, МиГ-5, ТИС так и не вышли из стадии разработки. Тогда вспомнили, что Пе-2 по сути был переделкой опытного высотного истребителя VI-100. Именно к этой базе и обратились, превратив бомбардировщик в истребитель за рекордные семь дней.
Постановление ГКО от 2 августа 1941 года требовало за четыре дня превратить серийный Пе-2 в истребитель. Завод №39 уложился в семь. Из конструкции убрали кабину стрелка-радиста, освободив место для дополнительных топливных баков объёмом 700 литров, что увеличило дальность полёта до 2150 км. В носовой части вместо слабого ШКАСа установили второй крупнокалиберный пулемёт БК калибра 12,7 мм, а в хвостовом коке смонтировали неподвижный ШКАС для защиты задней полусферы. Бомбовое вооружение упростили до четырёх внешних узлов подвески. В таком виде бомбардировщик, лишённый своего прежнего функционала, превратился в тяжёлый истребитель под названием Пе-3.
Сравнение Пе-3 с его прямым противником, немецким Bf 110C, выявляет относительный паритет при разных акцентах. Немецкий истребитель был легче примерно на 1350 кг, обладал более мощным вооружением (две 20-мм пушки и четыре пулемёта MG 17 калибра 7,92 мм) и лучшей манёвренностью. Однако на высотах свыше 5000 метров Пе-3 развивал большую скорость — до 535 км/ч против 515 км/ч у Bf 110C. Его главным преимуществом стала не динамика, а дальность и продолжительность полёта: он мог часами барражировать над линией фронта, выполняя функции «летающего командного пункта» — наводя истребители и координируя действия ПВО.
Главным испытанием для Пе-3 стала не встреча с «мессерами», а ночь. При стрельбе из носовых пулемётов экипаж буквально слеп от ярких дульных вспышек — пришлось срочно устанавливать пламегасители. Попадание в луч прожектора превращало остекление кабины в зеркало, ослепляя пилотов, и конструкторы ввели светомаскировочные шторки. Для полётов в полной темноте внедрили ультрафиолетовую подсветку приборов — впервые в советской авиации. Так Пе-3 превратился в «летающий полигон», где ночная война заставляла решать задачи в реальном времени.
Боевой опыт быстро показал, что Пе-3 оказался машиной «многоцелевой поневоле». Помимо ночных перехватов, его активно использовали как штурмовик и разведчик. В качестве разведчика он брал на внешние узлы камеры АФА-БА-40 или АФА-3, что позволяло вести съёмку с высоты до 8000 м, недосягаемой для большинства немецких зениток. При штурмовках Пе-3 подвешивал до 500 кг бомб или РС-82/132, но из-за слабой бронезащиты экипажи несли тяжёлые потери. В 1942 году на части машин усилили вооружение — носовой ШВАК дополнили парой БК калибра 12,7 мм, а на верхнюю установку ввели подвижный УБТ с боекомплектом 200 патронов. Для защиты задней полусферы также ставили подвижные ШКАСы с увеличенным сектором обстрела. Всё это не делало Пе-3 полноценным фронтовым истребителем, но позволяло выполнять задачи, где требовалась дальность и выносливость: сопровождение бомбардировщиков, патрулирование над войсками, удары по аэродромам и колоннам в прифронтовой зоне.
Опыт эксплуатации показал, что базовый Пе-3 слишком уязвим, и уже к весне 1942 года на заводе №39 начали выпуск модернизированного варианта — Пе-3бис. Машина получила бронезащиту кабины и двигателя: лобовые бронестекла толщиной 55 мм, бронеспинки для пилота и штурмана, бронеплиты вокруг маслобаков. Вооружение усилили: в носу установили две 12,7-мм пушки БК и 20-мм ШВАК, на верхнюю установку — подвижный УБТ, а в хвостовую часть ввели дополнительный ШКАС. Боекомплект увеличили почти на треть. Улучшили прицельное оборудование: для ночных вылетов внедрили новый коллиматорный прицел и более надёжную ультрафиолетовую подсветку приборов. На внешние узлы подвески теперь можно было брать до 1000 кг бомб, а также реактивные снаряды РС-132. Всё это сделало Пе-3бис более живучим и универсальным — он уже мог действовать не только как перехватчик, но и как полноценный фронтовой истребитель сопровождения или лёгкий бомбардировщик.
Несмотря на модернизацию, Пе-3 так и не стал массовым. До конца войны выпустили лишь около 360 машин, в то время как фронту требовались тысячи истребителей ближнего действия. Причины были очевидны: двухмоторная схема означала высокую стоимость и трудоёмкость производства, а по манёвренности и скорости реакции Пе-3 проигрывал одномоторным истребителям. Его ниша — ночные перехваты, дальние патрулирования, разведка и ограниченные штурмовые вылеты. Там, где требовалась выносливость и экипаж из двух человек, он оправдывал себя. Но как «универсальный тяжёлый истребитель» он остался временным решением.