В числе первых частей, получивших на вооружение Пе-3 в августе-сентябре 1941 г.,были40-й,95-й и 208-й авиационные полки. Головные серийные машины поступали в 95-й СБАП полковника С. Пестова. К этому времени полк имел короткую, но вполне достойную биографию. Сформированный в апреле 1940 г., он получил на вооружение бомбардировщики СБ 2М-103, но вскоре переучился на пикировщики Ар-2. В феврале-марте 1941 г. полк вновь приступил к переучиванию - на этот раз на новейший бомбардировщик Пе-2 и стал первой частью ВВС Красной Армии, вооруженной этой техникой. На воздушном параде в Москве 1 мая 1941 г. демонстрировались Пе-2 именно этого полка.
В момент нападения Германии на Советский Союз 95-й СБАП базировался сравнительно далеко от границы - на аэродроме Калинин и не испытал на себе тех сокрушительных ударов, которые обрушились на многие авиачасти приграничных военных округов. 6 июля полк вошел в состав ВВС Западного фронта. Хотя экипажи неплохо освоили свои машины, но общая тяжелая обстановка не замедлила сказаться. Уже в августе 95-й СБАП, лишившийся материальной части, вывели на переформирование. Конец августа и почти весь сентябрь личный состав переучивался на Пе-3. Стрелки-радисты были откомандированы в другие части. Штурманы усиленно занимались радиоделом, ведь связь в полете стала теперь их заботой. Летчики задумывались над новой истребительной тактикой. Кому-кому, а им, уже побывавшим в боях и вполне оценившим достоинства и недостатки "пешки", было ясно, что рассчитывать на успех боевого применения Пе-3 можно было лишь в случаях, когда объектами атак станут менее скоростные бомбардировщики и разведчики противника.
Рассматривались различные способы боевого применения Пе-3 - от барражирования парами в качестве своеобразных наблюдательных пунктов, уничтожающих самостоятельно отдельные вражеские машины и немедленно вызывающих под-крепление в случае подхода больших сил противника, до лидирования и наведения по радио одномоторных истребителей. В последнем случае легко просматривалось родство идеи с военно-морской концепцией корабля-лидера, возглавляющего атаку "легких сил". Морская терминология была принята в Германии, где такие самолеты назывались zerstorer (эсминец), и в Голландии, авиационные специалисты которой выдвинули концепцию "летающего легкого крейсера".
Нетрудно было заметить, что благодаря сравнительно большой дальности полета Пе-3 хорошо подходил на роль скоростного разведчика. Недостаток защитных свойств вполне компенсировался обычной для российской осени облачностью, которой экипаж мог воспользоваться в случае необходимости.
Приказом Командующего ВВС от 25 сентября 1941 г. 95-й СБАП был преобразован в истребительный авиационный полк (ИАП), имеющий по штату 40 Пе-3 (это было необычно, поскольку в тот период времени большинство полков переводились на 20-самолетный штат). Тем же приказом полк включили в состав 6-го истребительного авиакорпуса ПВО, прикрывавшего Москву. Спустя несколько дней шестерка Пе-3 под командованием капитана А.Жатькова вылетела на первое боевое задание в роли истребителей сопровождения. Группа прикрывала на маршруте транспортные С-47 английской военной делегации, направлявшейся из Вологды в Москву. Двухмоторные истребители отбили три попытки немцев атаковать "Дугласы" и без потерь вернулись на свой аэродром.
Счет боевым успехам Пе-3 открыл 3 октября летчик 95-го ИАП ст. лейтенант Фортовов, который одержал победу над Ju 88. В тот же день еще один "Юнкере" поджег лейтенант Куликов. 5 октября полк потерял первый истребитель - из полета не вернулся экипаж Фортовова. Обстоятельства его гибели остались неизвестными. Ведомый смог лишь сообщить, что командир заметил одиночный вражеский самолет и, приказав продолжать барражирование над объектом, в одиночку бросился на перехват.
С начала октября 95-й ИАП привлекался и к нанесению ударов по наземным объектам. Так, 4 октября эскадрилья майора А. Сачкова атаковала крупную колонну немецкой бронетехники и автомобилей. Всего было сброшено 40 бомб ФАБ-50 и ФАБ-100, после чего цель обстреляли из пулеметов. Летчики отметили прямые попадания в танки и автомобили, в колонне возникли пожары. На обратном пути эскадрилью догнали немецкие истребители Bf 109 и в завязавшемся бою каждая из сторон потеряла по одной машине. Еще один Пе-3 был разбит при посадке раненым летчиком.
28 ноября экипажи старшего лейтенанта Л. Пузанова и лейтенанта В. Стрельцова вылетели на прикрытие железнодорожного узла Александров. Им удалось перехватить три Ju 88, которые, используя облачность, пытались пробиться к станции. Встретив советские истребители, немцы бросились врассыпную, и Пузанов быстро сбил один "Юнкере". Стрельцов решительно атаковал другой вражеский самолет, экипаж которого оказал серьезное сопротивление. Во второй атаке лейтенант зажег мотор бомбардировщика, а в третьей смог добить противника, но и сам был ранен, а осколками стекла, разбитого немецкой пулей, Стрельцову повредило глаз. Пользуясь подсказками штурмана, летчик посадил истребитель на аэродром и уже на пробеге потерял сознание.
В конце ноября 1941 г. командиром 95-го ИАП стал майор А. Жатьков, уничтоживший в воздушных боях несколько самолетов противника. Осенью на "пешках" выполнили доработки, установив в носовой части фюзеляжа пушку ШВАК и заменив пулемет штурмана на крупнокалиберный БТ. Часть самолетов оснастили реактивными орудиями РО-82 (по 8 штук), а на некоторые смонтировали еще и по два РО-132. Стрелять можно было залпа-ми по 2 или 4 реактивных снаряда. На нескольких машинах установили аэрофотоаппараты АФА-Б. Главной задачей 95-го ИАП в декабре-январе оказалось нанесение ударов по немецким войскам. Только за эти два месяца самолеты полка сбросили на врага более полутора тысяч бомб. Но все же полк считался истребительным, команда на взлет могла поступить в любую минуту, поэтому воду из моторов не сливали даже в лютые морозы.
Приказом Наркома обороны от 1 марта 1942 г. 95-й ИАП был передан в состав ВВС Северного флота. 5 марта большая группа летчиков и штурманов полка получила ордена, в том числе майор А. Жатьков и его штурман капитан Н. Морозов - ордена Ленина. Спустя два дня полк вылетел на Север.
В числе первых получил Пе-3 и 208-й СБАП капитана Коломейцева. С первого дня войны полк, вооруженный СБ, оказался в самой гуще сражений. Накал боев был столь велик, что к концу июля шестиэскадрильный полк потерял 55 самолетов и 38 экипажей. В соответствии с приказом Командующего ВВС от 4 августа 1941 г. на основе 208-го СБАП были созданы три полка уменьшенного двухэскадрильного состава (по 20 самолетов в каждом). Один из них, сохранивший прежнее наименование, приступил к переучиванию на Пе-3.
С 15 октября 208-й СБАП приступил к ведению боевых действий в составе 6-го ИАК. Главной задачей части было прикрытие железнодорожных станций и мест погрузки-выгрузки войск в районе Москвы. Кроме того, он привлекался и к нанесению бомбо-штурмовых ударов. За три месяца боев полк совершил 683 боевых вылета, уничтожив (по докладам экипажей) 34 танка, 212 автомашин, 6 железнодорожных эшелонов и 33 самолета противника. Собственные безвозвратные потери составили 10 Пе-3, 12 летчиков и 9 штурманов. За участие в обороне Москвы полк получил благодарность от командующего Западным фронтом генерала армии Г. Жукова. В декабре 1941 г. в связи с острой нехваткой Пе-3 командир 6-го ИАК полковник Мительков приказал передать оставшиеся в 208-м СБАП 12 самолетов в 95-й ИАП, и в следующем месяце полк убыл с фронта для переучивания на Ил-2.
40-й СБАП так же воевал в первые месяцы войны на СБ, но для переучивания на новые самолеты с фронта не выводился. Пе-2 и Пе-3 в эту часть начали поступать в сентябре 1941 г. В том же месяце полк разделили на два, выделив из его состава 40-А СБАП - впоследствии 511-й ближнебомбардировочный авиаполк (ББАП).
С 22 по 24 сентября самолеты полка нанесли ряд ударов по железнодорожному узлу Старая Руса и вывели его из строя на неделю. Три полко-вылета 27 и 28 сентября на бомбардировку станции Рославль приостановили движение немецких эшелонов на 2-3 дня. В период битвы под Москвой полк, вооруженный преимущественно Пе-3, использовался исключительно как бомбардировочный. Он выполнил 365 самолето-вылетов, в которых было сброшено 218 т бомб. В числе наиболее заметных успехов стоит отметить разрушенный мост через реку Угра в районе Юхнова (командир эскадрильи капитан А.Рогов получил за это звание Героя Советского Союза) и поврежденный мост через Волгу в районе Калинина, что затруднило маневр германских танковых соединений. 15 декабря 1941 г. часть преобразовали в 40-й АПР ГК, а позднее он получил более привычное наименование 40-й дальний разведывательный авиаполк (ДРАП).
Его экипажи вели стратегическую разведку на широком фронте: от предгорьев Кавказа до Калинина. Самолеты регулярно появлялись над крупнейшими аэродромами: Сеща, Олсуфьево, Брянск и Орел, отслеживали движение железнодорожных эшелонов в глубине оккупированной территории. В период подготовки операции на окружение 6-й немецкой армии в районе Сталинграда полк участвовал в сплошном фотографировании оборонительных позиций немецких, румынских и итальянских войск, в результате чего была получена единая фотокарта всего района. Личный состав выполнил ряд доработок на своих машинах. Так, на фюзеляжах "пешек" монтировали пару реактивных орудий РО-82 для стрельбы назад. Некоторые Пе-3 оснастили качающимися установками для АФА-1, а в мотогондолах на месте бомбоотсеков разместили дополнительные бензобаки. Ввиду естественной убыли, "тройки" постепенно заменялись Пе-2 "разведчик". По состоянию на 1 января 1943 г. полк располагал 11 Пе-3, что равнялось 38% от боевого состава. Впоследствии эта часть была постепенно перевооружена на самолеты А-20В "Бостон".
9-й ББАП майора В. Лукина войну встретил на аэродроме Паневежис в Прибалтике. Всего за 4 дня на земле и в воздухе полк потерял почти все свои бомбардировщики СБ, после чего был выведен в резерв и в июле-августе перевооружен на Пе-2. Тогда же полк перешел на новый штат (20 самолетов и экипажей), выделив из своего состава полк "9-А" (впоследствии 723-й ББАП). В сентябре часть получила вместо пикировщиков истребители Пе-3, но наименование ее не изменилось. В период с октября 1941 г. по февраль 1942 г. полк базировался на Центральном аэродроме в Москве.
Большую часть боевых вылетов в октябре-ноябре 1941 г. полк выполнил для нанесения БШУ по наступающим немецким войскам. Другими важными задачами являлись прикрытие участ-ков железной дороги Москва-Загорск, Москва-Дмитров и разведка. С октября 1941 г. по февраль 1942 г. экипажи 9-го ББАП сбили 11 самолетов, включая 6 Bf 109, и выполнили 130 разведрейдов. В конце ноября 1941 г. полк подчинили непосредственно Главному штабу ВВС КА и возложили на него выполнение особых задач. Одной из них стало лидирование направляемых на фронт авиачастей, летчики которых имели недостаточную навигационную подготовку. Более двух тысяч боевых самолетов различных типов буквально "привели за руку" на новые аэродромы базирования "пешки" из 9-го ББАП.
Наиболее подготовленные экипажи привлекались к сопровождению правительственных самолетов и, выполняя эту важ-ную задачу, за неполных три месяца совершили 95 самолето-вылетов. Полеты нередко проходили в сложных метеоусловиях, что порой приводило к трагедиям. Так, 21 ноября 1941 г. шестерка Пе-3, возглавляемая майором Лукиным, сопровождала С-47, на котором летели маршал С. Тимошенко и член Политбюро ЦК ВКП(б) Н. Хрущев. При сильной облачности самолеты шли плотной группой. В очередной раз выскочив из облака, Лукин увидел прямо перед собой хвост "Дугласа", резко отвернул влево и столкнулся с машиной ведомого. В результате Лукин и его штурман погибли, а экипажу второго самолета удалось спастись на парашютах.
В конце декабря 1941 г. Пе-3 9-го ББАП были доработаны путем установки пушки ШВАК в носовой части фюзеляжа и крупнокалиберного пулемета БТ на турели у штурмана. Почти всю работу выполнил самостоятельно личный состав ИАС полка. К вечеру 31 декабря переделка была завершена, и в новый 1942 г. полк вступил, располагая машинами с существенно большими боевыми возможностями. Так, 5 июля 1942 г. при лидировании эскадрильи ЛаГГ-3 Пе-3 капитана К. Данилкина неподалеку от Воронежа был атакован четырнадцатью Bf 109. Это произошло в районе аэродрома посадки, когда у ЛаГГ-3 практически не осталось топлива для ведения воздушного боя, да и пилотировали их неопытные новички. Немецкие летчики все внимание сосредоточили на самолете-лидере, по-видимому, решив, что на борту его находится какая-то важная персона. Штурман К. Мантуров из турельного БТ сбил одного за другим два Bf 109. Еще один упал, прошитый очередями носовой установки. Четвертый "Мессершмитт" Данилкин сбил уже на горящем самолете. Пулемет штурмана молчал, и немецкие истребители добили израненную машину - Пе-3 взорвался в воздухе. Он оказался единственным самолетом, потерянным 9-м ББАП в воздушном бою за 8 месяцев. Еще два "Петлякова" сбила зенитная артиллерия, один не вернулся с боевого задания, и еще один вражеская авиация уничтожила на аэродроме Грабцево. В авариях и катастрофах полк потерял еще четыре Пе-3.
511-й ББАП был сформирован в середине сентября 1941 г. на основе разделившегося пополам 40-го СБАП. Командиром новой части назначили капитана А. Бабанова. Полк получил два десятка новеньких Пе-3, и 10 октября начал боевую деятельность в составе ВВС Западного фронта. В ходе битвы под Москвой полк базировался на аэродроме в Ногинске и привлекался, в основном, для нанесения БШУ. За три месяца его экипажи совершили более 320 боевых вылетов, уничтожив свыше 30 танков, 8 самолетов на аэродромах, 4 железнодорожных эшелона и до 30 орудий. Немцы недосчитались более 200 автомашин с имуществом, боеприпасами и личным составом. Полк нес и весьма значительные потери. 16 и 18 марта экипажи лейтенантов Г. Потапочкина и Л. Древятникова были сбиты после выполнения боевого задания в районе своего аэродрома немецким "охотником" -истребителем Bf 110C. К маю 1942 г. в полку осталось всего 7 самолетов, из них только 4 исправных. Впоследствии 511-й ББАП был перевооружен на самолеты Пе-2 "разведчик" и преобразован в отдельный разведывательный авиаполк (ОРАП).
В конце октября 1941 г. к боевым действиям на Западном фронте приступила еще одна авиа-часть, вооруженная Пе-3 - 54-й Краснознаменный СБАП. Перед войной эта авиачасть базировалась в районе Вильнюса и 22 июня при внезапном ударе потеряла более половины своих СБ на земле. К 14 июля в ожесточенных воздушных боях были уничтожены почти все оставшиеся машины, после чего полк был выве-ден на переформирование, получил новую технику и прошел переподготовку на Пе-3.
В ходе московской оборонительной и наступательной операций полк под командованием майора Скибо совершил около 400 боевых вылетов, уничтожая противника в районах Клина, Солнечногорска, Истры и Волоколамска. По боевым донесениям, в этот период 54-й СБАП уничтожил 33 танка, до 780 автомашин, 35 вагонов, 2 склада с боеприпасами, в воздушных боях было сбито 6 самолетов. Собственные потери составили 11 "Петляковых". Один из наиболее примечательных боев произошел 18 января 1942 г., когда четверка Пе-3 атаковала аэродром Вельская. На стоянки немецких самолетов было сброшено 16 авиабомб калибра 100 кг. На отходе от цели группу атаковали Не 113 (по донесениям, но более вероятно - Bf 109F). Огнем штурманов один истребитель был сбит, а второй, не рассчитав маневра, врезался в хвост ведущего Пе-3 капитана Карабутова и потерял крыло. Карабутову удалось привести свою сильно поврежденную машину на аэродром в Туле. Экипаж не пострадал. К числу наибольших успехов "троек" под Москвой относится разгром крупной немецкой автоколонны неподалеку от Клина. Разбом-бив на ее пути два моста, Пе-3 отрезали дорогу 500 машинам и в течение всего дня вели их штурмовку. Привлекались Пе-3 также для сопровождения ТБ-3 и Ли-2 при высадке крупного воздушного десанта под Вязьмой и его огневой поддержки.
В конце января 1942 г. аэродром базирования 54-го СБАП Жашково был вскрыт немецкой разведывательной авиацией и в ночь с 1 на 2 февраля атакован почти двадцатью Bf 110C. Утром налет был повторен, а вечером базу бомбили несколько Ju 88. В результате полк потерял 7 машин, из которых 3 сгорели, и остался почти без самолетов. Уцелевшие истребители в середине февраля передали в 511-й ББАП, а личный состав вывели в резерв. В мае 1942 г. экипажи были направлены в 9-й запасной авиаполк, где прошли переподготовку и в дальнейшем летали на Пе-2.
Самолеты 511-го ББАП и 54-го СБАП, в отличие от машин 9-го ББАП и 95-го ИАП, по-видимому, не дорабатывались и не перевооружались пушками. Об этом можно судить по типам израсходованных боеприпасов.
Помимо указанных выше частей, Пе-3 осенью и зимой 1941-1942 гг. поступили на вооружение 1, 2, 3 и 4-го дальних разведывательных и 603-го бомбардировочного полков, а также в некоторые отдельные разведывательные авиаэскадрильи (ОРАЭ). С весны 1942 г. в ВВС КА "тройки" стали использоваться только в качестве разведчиков. Самолеты, построенные иркутским заводом в 1942 г., передавались большей частью во 2,4 и 40-й АПР ГК. Исключением является 9-й ББАП в связи с его особым статусом. В июне-июле полк получил 20 новеньких Пе-3бис и оказался, вероятно, единственным в ВВС КА, полностью укомплектованным этим типом машин. На вооружении разведывательных полков, помимо Пе-3, состояли, как правило, Пе-2 в варианте "разведчик", а также импортные А-20 и В-25. В 4-м АПР ГК все Пе-2 и Пе-3 оснащались четырьмя РО-82, установленными попарно под консолями для пуска снарядов назад.
С прекращением производства Пе-3бис в Иркутске численность "троек" стала, естественно, сокращаться, и к середине 1944 г. в гвардейских отдельных разведполках Верховного главного командования (ВГК) - 47-м (бывшем 2-м АПР ГК), 48-м (бывшем 40-м АПР) и 98-м (бывшем 4-м АПР) их насчитывалось десятка полтора-два. Последние 17 серийных Пе-3 производства завода №22 поделили между собой 48-й и 98-й гвардейские ОРАП.
Несколько больший радиус действия Пе-3 по сравнению с Пе-2 варианта "разведчик" позволял глубже заглянуть на территорию противника. Впрочем, и не только противника. Так, по свидетельству генерал-майора Лезжова, в те далекие годы пилота 98-го полка, в один из июньских дней 1944 г. ему пришлось слетать на Пе-3 ... в Италию, где он "проконтролировал" действия англо-американских войск. Кстати, союзники, не ожидавшие увидеть самолет с красными звездами в столь удаленном от советско-германского фронта районе, едва не сбили его.
Разведчики Пе-3 и Пе-3бис оставались на вооружении и после завершения войны. Заметим, что окончание "бис" со временем (примерно с 1943 г.) практически перестали использовать в обиходе (оно осталось только в технических документах и аварийных актах).