Проект ДВБ-102 разрабатывался бригадой Мясищева, одновременно с проектами высотного скоростного перехватчика «100» Петлякова (Пе-2), фронтового бомбардировщика «103» Туполева (Ту-2) и одноместного истребителя «110» Томашевича.
Дальний высотный бомбардировщик ДВБ-102 представлял собой двухмоторный цельнометаллический высокоплан с рядом элементов новизны в компоновке и конструкции, в оборудовании и вооружении, с двумя герметичными кабинами экипажа.
Проект самолета был предложен Мясищевым в 1939 году. Самолет был утвержден в плане опытного строительства КБ в начале 1940 года, и в июне была начата его постройка. К лету 1941 года были проведены статические испытания и продолжалась постройка первого летного экземпляра. В августе 1941 года бывшие мастерские ГВФ, где строился самолет, были эвакуированы.
Зимой 1942 года ДВБ-102 был выведен на аэродром. На нем были установлены двигатели Климова М-120ТК мощностью 1800 л.с., снабженные турбокомпрессорами ТК-3. В феврале летчиком Ждановым был выполнен первый полет, а к сентябрю проведены государственные испытания. Однако двигатель М-120 не удался, и его применение было прекращено. В 1943 году были поставлены двигатели М-71 мощностью 2000 л.с. С ними было много недоразумений, пришлось делать ряд доводок и изменений под установленные позднее турбокомпрессоры. Попутно была изменена передняя гермокабинаи поставлены новые кабинные нагнетатели. Одновременно с этим началась постройка дублера самолеьа.
Осенью 1943 года самолет был передан заводу, где доводкой и испытаниями ДВБ-102 занималась часть ОКБ Мясищева, который в это время был назначен главным конструктором для руководства выпуском и модификациями Пе-2. В ОКБ проектировались варианты  ДВБ-102ДМ с двигателями МБ-102, без герметичных кабин, модифицированные, с двигателями М-120, АШ-73 с ТК-3.
Самолет с двигателями М-71 с ТК-3 проходил испытания преимущественно в высотных полетах с марта 1944 года до июля 1945 года.
О конструкции ДВБ-102 следует сказать особо. При основном материале Д16 шировко применялись штамповки, поковки и литье из алюминиевых и магниевых сплавов, немного пластиков; сварки было очень мало. Фюзеляж диаметром 1,6 м – полумонокок с невиданно большим бомбоотсеком длиной 7 м, окантованным мощной рамой, обеспечивающей жесткость на кручение от нагрузок на хвостовое оперение. При этом створки бомболюка убирались внутрь. Технологически фюзеляж делился на десять отсеков поперек и вдоль. В фюзеляже были две герметические кабины – носовая для летчика и штурмана-стрелка и задняя для двух стрелков. Это было сделано впервые в мире – две гермокабины в боевом самолете. Остекление кабин первоначально одинарными, затем – двойными стеклами, предохранявшими о запотевания. Был и проект ДВБ-102Н без гермокабин. Двери кабин, пост управления узлы центроплана были сделаны литыми из легких сплавов.
Крыло площадью 78,3 м² с профилем относительной толщины 16...10 % при удлинении 8,2 было первым столь тонким крылом, примененным на советских самолетах. Центроплан – трехлонжеронный, консоли – двухлонжеронные. Обшивка – несущая, толщиной по верхней стороне до 3 мм, с усилительным гофром под ним по нижней стороне, подкрепленная стрингерами-угольниками. Нервюры – листовые, полки их – катанные угольники. Обшивке отдавалось предпочтение перед полками лонжеронов в восприятии усилий, и крыло собиралось из верхней и нижней частей со стыковкой по нейтральной оси лонжеронов. Впоследствии эта конструкция в более доведенном виде была применена на крыле среднего бомбардировщика Ил-28.
Шасси с носовым колесом на вилке, две основные стойки – убираемые в мотогондолы. Схема – одна из первых в СССР. Уборка – гидросистемой. Управление самолетом жесткое, двойное. Винты четырехлопастные. Баки – кессоны, всроенные в консолях крыла.
Вооружение: одна пушка ШВАК в носу, один пулемет БК и один ШКАС, спаренные в верхней задней установке, в нижней с дистанционным управлением – один БК. На госиспытаниях были испробованы одна ШВАК, два БК и один ШКАС; 20-мм пушки могли быть заменены пушками калибром 23 мм.
В ходе испытаний менялись двигатели, вооружение и оборудование, производились доводки. Нормальная бомбовая нагрузка – 2 т, с перегрузкой – 4 т (практически – до 3 т). Масса пустого самолета колебалась около 10 т, максимальный запас топлива – 3800 кг, масла – 250 кг. Полетная масса нормальная – 16038 кг, перегрузочная – 17800 кг. Скорость с двигателем АШ-71 – 430 км/час у земли и 529 км/час на высоте 8450 м. Летчиком-испытателем Опадчим был достигнут потолок 11500 м, расчетная дальность – 3600 км, разбег – 670 м, с перегрузкой – 750 м.