Большую часть боевых вылетов в октябре-ноябре 1941 г. полк выполнил для нанесения БШУ по наступающим немецким войскам. Другими важными задачами являлись прикрытие участков железной дороги Москва-Загорск, Москва-Дмитров и разведка. С октября 1941 г. пс 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 важную задачу, за неполных три месяца совершили 95 самолетовылетов. 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.

Пушка ШВАК на подфюзеляжной установке Пе-3 завода N2 22, 1944 г.

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 БИУ. 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 110С. 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 авиачасть, 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 выведен на переформирование, получил новую технику и прошел переподготовку на Пе-3.