На истребителе несколько усилили наступательное вооружение, разместив в носовой части фюзеляжа дополнительный 12,7-мм пулемет БК с боезапасом 150 патронов. Таким образом, носовая стрелковая установка опытного Пе-3 состояла из двух пулеметов БК и одного ШКАСа с 750 патронами. На серийных Пе-3 ШКАС сняли, но зато увеличили боезапас у БК до 250 патронов на ствол. Конструкторы прекрасно сознавали недостаточность такого вооружения, но из-за дефицита времени наращивание огневой мощи нового истребителя решили произвести позднее, в ходе доработок. Верхнюю турельную установку штурмана с пулеметом ШКАС взяли без изменений от Пе-2. Поскольку вести огонь назад-вниз теперь было некому, вспомнили об отработанной еще для высотного истребителя «100» хвостовой неподвижной установке пулемета ШКАС с боекомплектом 250 патронов, которую и установили на Пе-3.
Бомбардировочное вооружение радикально упростили. От обычного Пе-2 остались лишь четыре бомбодержателя: два в бомболюках мотогондол и два наружных под фюзеляжем. Суммарная масса бомбовой нагрузки уменьшилась: нормальная – до 400 кг, а перегрузочная – до 700 кг (две бомбы по 250 кг и две по 100 кг). Электрическую систему управления сбрасыванием бомб демонтировали, оставив только аварийную механическую. Тормозные решетки под консолями вместе с приводами были ликвидированы, что в дальнейшем оказалось неоправданным, т.к. Пе-3 пришлось часто применять в качестве бомбардировщика.
Вместо радиостанции РСБ-бис в кабине штурмана установили РСИ-4. Это нововведение также вряд ли можно признать удачным. При боевом радиусе 700-800 км дальность связи с землей составляла всего 110 км, а с другими самолетами и того меньше – 50-60 км. Положение еще более ухудшилось после снятия с истребительного варианта «пешки» радиополукомпаса, что было сделано с целью облегчения самолета.
Опытный Пе-3, переделанный из уже построенного серийного Пе-2 (зав. номер 391606, что означало – шестой самолет шестнадцатой серии завода №39), весил при нормальной загрузке 7860 кг. Масса пустого составляла 5890 кг. При испытаниях его в НИИ ВВС получили следующие основные летно-технические характеристики: максимальную скорость на высоте 5000 м – 530 км/ч, потолок – 9000 м и максимальную дальность полета – 2150 км. Эти данные признали удовлетворительными, и уже 14 августа на завод №39 поступило распоряжение развернуть серийное производство Пе-3. Сроки вновь установили очень жесткие: к 25 августа завод должен был собрать 5 самолетов по образцу опытного и перейти на их выпуск.
Головной серийный Пе-3 проходил испытания в НИИ ВВС с 29 августа по 7 сентября 1941 г. Заводские номера самолетов продолжали нумерацию Пе-2, и первый серийный истребитель имел номер 391902. Испытательные полеты, производившиеся на Центральном аэродроме в Москве, выявили примерно такие же летные характеристики, как и у опытного самолета. Максимальная скорость серийной машины, полученная на испытаниях, составила 535 км/ч. Интересно сравнить летно-технические данные Пе-3 с характеристиками близкого по размерности и назначение немецкого истребителя «Мессершмитт» Bf 110С. При практически одинаковой дальности, скорости полета у земли (445 км/ч) и времени набора высоты 5000 м (8,5-9 мин) «мессер» был на 1350 кг легче и обладал лучшей маневренностью в горизонтальной плоскости. Носовая батарея из четырех пулеметов MG17 и двух пушек MG/FF обеспечивала массу секундного залпа, заметно превышавшую этот показатель Пе-3. Вместе с тем, на границе высотности мотора советский истребитель был несколько быстроходнее своего германского оппонента.
Серийное производство Пе-3 разворачивалось с большими трудностями Комплекты чертежей на ряд узлов подготовить не успели, поэтому первые машины собирали по эскизам, а детали подгоняли по месту. Новые крупные сборочные единицы – бензобаки, носовая установка дополнительного пулемета БК и хвостовая установка ШКАСа не были в достаточной степени отработаны, что приводило к сбоям производства.
В процессе «отстрела» носовой установки выяснилось, что плексигласовый носок фюзеляжа не выдерживает давления дульных газов и разрушается. Его заменили сначала на дюралевый, а позднее на стальной. Заметим, что отличия, связанные с ликвидацией части остекления в носу фюзеляжа, являются важнейшими признаками, позволяющими опознать Пе-3 среди бомбардировщиков Пе-2, ведь внешне самолеты почти не отличались друг от друга. Кроме упомянутых, характерными признаками Пе-3 являются: отсутствие тормозных решеток (их не было и на разведчиках Пе-2), бортовых блистеров, верхнего остекленного люка и стрелковой установки радиста в средней части самолета. Хвостовой ШКАС был практически незаметен.
