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 Карабутсва и потерял крыло. Карабу- тову 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. Разбомбив 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 110С. Утром налет был повторен, а вечером базу бомбили несколько Ju 88. В результате полк потерял 7 маиин, 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 8 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.
Трофейный Пе-3бис в составе ВВС Финляндии (per. № РЕ-301), август 1943 г.
Серийный Пе-3бис на полевом аэродроме
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).