Учитывая нужды фронта, конструкторский коллектив, возглавляемый В.М.Петляковым, подготовил две модификации серийного Пе-2. Оставив без изменений схему, размеры и основное оборудование, конструкторы оснастили крыло самолета в варианте истребителя-перехватчика автоматическими предкрылками. Тормозные решетки, ограничивающие скорость пикирования, были сняты, а бортовое вооружение усилено.
Испытания показали, что такой вариант самолета, получивший название Пе-3, полностью отвечает боевому назначению истребителя-перехватчика. Уже в 1941 году заводы выпустили почти 200 машин этого типа под литерами Пе-3бис. Большинство из них было передано частям, принимавшим активное участие в разгроме немецко-фашистских войск под Москвой.
Создание и организация массового производства самолетов Пе-3 в истребительном и разведывательном вариантах были проведены в кратчайшее время. Коллектив конструкторского бюро умело использовал идеи, заложенные при первом проектировании Пе-2, как многоцелевого самолета. Самолеты Пе-3бис выпускались в основном с двигателями ВК-105Р мощностью по 1100 л.с. Их вооружение состояло из двух пушек ШВАК калибром 20 мм, трех крупнокалиберных пулеметов БС и двух скорострельных пулеметов ШКАС. Самолет Пе-3 с двигателями ВК-107А мощностью по 1650 л.с. на высоте 5700 м развивал скорость до 657 км/час. Заводы выпустили около 11,5 тыс. самолетов Пе-2 и его вариантов.