С первых дней "пешки" (как прозвали самолет в войсках) зарекомендовал себя наилучшим образом. Благодаря "истребительной" родословной Пе-2 сохранил отличную маневренность, вплоть до способности выполнять фигуры высшего пилотажа, что давало советским пилотам возможность не только уходить из-под удара немецких истребителей, но и вести воздушный бой. Хотя по состоянию на 22 июня 1941 г. в войсках находилось не более 180 Пе-2, уже в первый день группа из 17 бомбардировщиков нанесла успешный удар по мосту через Прут. Имелись и нарекания - самолет был строгим в управление, и недостаточная подготовка пилотов на начальном этапе войны нередко вела к летным происшествиям. Высказывались и более объективные претензии - в частность, к недостаточному уровню бронезащиты экипажа. Большинство замечаний было учтено в последующих модификациях самолета, отличавшихся различными вариантами вооружения (в частности, установкой дополнительных пулеметов и заменой 7,62-мм ШКАС на 12,7-мм УБТ), а также дополнительным бронированием, модернизированными двигателями и т.д. К сожалению, сам В.М. Петляков, который был освобожден после запуска Пе-2 в серию, 12 января 1942 г. погиб в авиационной катастрофе, что не могло не сказать на дальнейшем развитии самолета. Тем не менее "пешки", производство которых продолжалось до конца войны, оставались в строю, участвую в сражениях на всех фронтах. Под управлением подготовленных летчиков Пе-2 становились на редкость точным оружием - с пикирования под углом 60-65 градусов опытные пилоты могли уложить бомбы в круг диаметром 10м. Благодаря этому целью Пе-2 нередко становились такие малоразмерные объекты, как мосты. В мае 1943 г. группе из двенадцати Пе-2 авиации Балтийского флота удалось повредить Нарвский мост, на месяц прервав его использование для снабжения немецких войск под Ленинградом. Через полгода, в феврале 1944 г., девять бомбардировщиков разрушили мост через Днепр в районе Рогачева, лишив немецкую группировку возможности выйти из-под удара сухопутных войск. В конце войны Пе-2 с 250-кг и 500-кг бомбами на подвеске наносили удары по укреплениям и порта на территории Германии. На Пе-2 летали летчицы женского 587-го (позже переименованного в 125-й гвардейский) бомбардировочного авиаполка по командованием М. Расковой.
Пе-2 стал самым массовым советским бомбардировщиком (было построено более 11 200 самолетов) и оставался в строю до конца 1940-х годов.
Информация взята из книги "Военная авиация Второй мировой войны" Я.Л. Чумаков.