Пе-8 №42066 и карта маршрута его перелета
Дополнительно к штатному оборудованию на самолет установили в задней кабине кислородное оборудование на шесть пассажиров. После чего самолет опломбировали. В один из дней мая 1942 года состоялся запланированный полет. Командиром корабля был Пусеп, второй пилот – Обухов, штурман – Штопенко, инженер – Золотарев. Состав пассажиров и место первой посадки стали известны командиру и штурману перед самым вылетом. Самолет прошел через линию фронта, над оккупированной Европой и сел на один из аэродромов в Северной Шотландии. Из Шотландии Пе-8 перелетел в Рейкьявик в Исландии, затем, пройдя Ньюфаундлен, взял курс на Вашингтон, где благополучно совершил посадку. Экипаж встречали сотрудники посольства СССР в США во главе с послом Литвиновым, представители американских ВВС и властей. Прилетевший в США Пе-8 с большим интересом рассматривали офицеры ВВС США. Во время пребывания в США экипаж Пе-8 в полном составе был принят президентом Рузвельтом. Поздравляя экипаж со столь трудным перелетом через океан, Рузвельт особо отметил работу инженера корабля, обеспечившего безотказную работу самолета и штурмана, сумевшего безошибочно провести самолет по заданному маршруту в условиях войны. В Москву Пе-8 возвратился тем же путем. За успешное проведение спецперелета оба пилота и штурман были удостоены званий Героев Советского Союза, а остальные члены экипажа были награждены боевыми орденами. В ОКБ и на заводе №124 с большим удовлетворением восприняли результаты этого перелета. Ведь самолет с только что поступившими в активную эксплуатацию двигателями АМ-35А без всяких отказов и повреждений совершил многотысячекилометровый перелет, дважды пересек океан, дважды линию фронта и дважды летел над территорией противника. Этот перелет весьма убедительно продемонстрировал возможности Пе-8 как дальней машины и показал, что ОКБ удалось в основном справиться с тем валом болезней, которые преследовали самолет на начальном этапе эксплуатации.
Начало 1943 года для СССР ознаменовалось большой победой под Сталинградом, ставшей для положения на советско-германском фронте переломным событием, после которого звезда победоносного Вермахта и всего Рейха покатилась к закату. В 1943 году кончились мучения ОКБ Не- звапя с проблемой двигателей для Пе-8.
Весь 1943 и 1944 годы завод №22 достаточно ритмично, по 1-2 машины в месяц, выпускал и сдавал заказчику Пе-8 с двигателями М-82 (ALU-82). Всего за 1943 год завод выпустил 18 машин с М-82, а до конца 1944 года – 14 машин с М-82 и четыре с дизелями АЧ-30Б (в варианте Пе-80Н, из которых докончили и передали на испытания только две машины).

В войсках Пе-8 4М-82 были довольно быстро и легко освоены, и со стороны летного и технического состава особых замечаний ни к ОКБ, ни к заводу не было. С летным и техническим персоналом, с командованием 45-й дивизии у ОКБ и завода установились очень хорошие деловые отношения. Представители ОКБ поддерживали тесную связь с дивизией, постоянно знакомились с результатами боевых действий летных экипажей и самолетов Пе-8. Постоянно получали информацию от инженерного состава дивизии, который в процессе боевой эксплуатации выявлял отдельные неудачные места конструкции машины. Ведущие конструкторы ОКБ внимательнейшим образом прислушивались к их замечаниям и в большинстве случаев эти замечания принимались, по ним проводились необходимые работы по совершенствованию конструкции и боевой эффективности Пе-8. Постепенно все эти замечания по Пе-8 подтолкнули ОКБ заняться серьезной работой по глубокой модернизации базовой конструкции самолета.
Работы эти начались во второй половине 1943 года и зашли достаточно далеко (о них подробно будет рассказано ниже), однако свертывание работ в 1944 году по всей тематике Пе-8 привело к прекращению работ и по этой теме. 5 марта 1944 года вышло Постановление ГОКО, согласно которому серийный выпуск Пе-8 прекращался, хотя одновременно Постановление предусматривало продолжение опытных работ по модификации Пе-8 и по проектированию новых тяжелых машин. Однако руководство завода №22, считая своей основной задачей выпуск Пе-2, совершенно прекратило поддержку работ по тяжелым машинам. На заводе усиленно проводили перепланировку цехов, оборудуя их конвейерами и поточными линиями под Пе-2, за счет площадей и мощностей, ранее выделенных под Пе-8. Единственный цех завода, работавший по самолету Пе-8, в 1944 году, в связи с запуском в серию новой модификации Пе-2 – самолета Пе-2И, был реорганизован в цех малых серий Пе-2. В результате все работы по постройке новых модификаций Пе-8 были прекращены.