В кабине экипажа в качестве вынужденной меры для улучшения условий работы штурмана в полете сняли противокапотажную раму Усилили бронирование: спереди летчика прикрыли отдельными бронеплигами толщиной от 4 до 6,5 мм, бронеспинку сиденья пилота выполнили из стали толщиной 13 мм, забронировали нижний люк кабины экипажа для защиты от случайного выстрела из УБК в момент посадки в самолет. При этом общая масса брони возросла до 148 кг. От остекления в носовой части фюзеляжа оставили лишь небольшой смотровой люк перед штурманом для осуществления прицеливания при бомбометании с горизонтального полета и по паре небольших трапециевидных окон по бортам. Перенос оружия в центроплан потребовал уменьшения емкости фюзеляжного бензобака №7 на 100 л Для изоляции бака и предохранения его от нагрева ввели асбестовую перегородку, которая одновременно служила экраном,предохранявшим пулеметы от подтекания на них бензина. Для повышения путевой устойчивости (только на опытном самолете) площадь килей увеличили на 15%. Установили противообледенительную систему на винты и лобовое стекло фонаря.

Опытный Пе-3бис (заводской номер 392207) на аэродроме завода № 39, октябрь 1941 г.
Опытный Пе-3бис (заводской номер 40143900) на испытаниях в НИИ ВВС, июнь 1942 г.
Центр тяжести самолета, особенно при посадке с опустевшими баками, заметно сместился вперед из-за размещения в носовой части пушки и брони. Это привело к уменьшению противокапотажного угла и невозможности эффективного торможения – самолет так и норовил -встать на нос» (то же наблюдалось на доработанных в частях Пе-3). С целью устранения недостатка подкосы основных стоек удлинили (по предложению летчика-испытателя Коккинаки), в результате колеса в выпущенном положении сместились вперед на 60 мм Этого оказалось достаточно для некоторого улучшения поведения истребителя при посадке.
Нормальная полетная масса второго варианта Пе-3бис составляла 8002 кг. Максимальная скорость полета по сравнению с машиной первого варианта немного уменьшилась: у земли до 438 км/ч, а на высоте – до 527 км/ч. За боевой разворот самолет набирал 540 м, время виража на высоте 1000 м составляло 30 с, а 5000 м истребитель набирал за 9,65 мин. Эти летно-технические данные можно считать типовыми для серийного Пе-3бис производства 1942 г
Заводские номера серийных машин были шестизначными, например, 400105, что означало – Пе-3бис (изделие 40), пятый самолет (05) первой серии (01). В 1942 г. завод №39 выпустил 121 Пе-3бис. Еще 13 машин дали фронту в начале 1943 г. Это были остатки серии, поскольку с осени 1942 г. предприятие перешло на выпуск бомбардировщиков Ил-4.
Любопытно, что из-за относительно небольшого объема производства Пе-3бис использовался на заводе №39 в качестве «отладочной» машины. В его конструкцию вносились и опробовались многочисленные мелкие (и не очень) изменения, которые впоследствии – в случае, если полезный эффект от внедрения убедительно подтверждался – применялись на Пе-2 массового выпуска. Так, именно на серийных Пе-3бис появилась и прошла отладку верхняя установка бомбардировщика ВУБ-1, новый фонарь кабины пилота, основные стойки шасси с увеличенным выносом вперед, усовершенствованная бензосистема и система нейтрального газа. Дело дошло до того, что завод №39 по опыту эксплуатации Пе-3бис планировал (но не успел) оснастить Пе-2 предкрылками!
Опытный высотный истребитель Пе-2ВИ, 1943 г.
Главный конструктор авиазавода №22 по самолету Пе-2 А.Путилов был человеком увлекающимся. Он отлично помнил о том, что «пешка» первоначально создавалась как высотный истребитель, и решил довести ее в этом варианте до серийного производства. Формально такое задание никто не отменял: ведь еще в 1941 г. СНК обязал КБ Петлякова изготовить пять Пе-2 в варианте высотного истребителя с гермокабинами и передать их на государственные и войсковые испытания Однако внедрение бомбардировочной модификации на четырех заводах(планировался и пятый, в Харькове), а затем война спутала все карты.
Лишь во второй половине 1942г.Путилов, сменивший Изаксона на посту главного конструктора (Петляков, как известно, погиб в катастрофе в январе 1942 г.), смог снова приступить к реализации давних идей. В декабре 1942 г. ОКБ-22 получило официальное «добро» от НКАП на постройку высотного двухмоторного истребителя. Сроки, как всегда в войну, были очень жесткими: первый полет планировался на конец февраля следующего года.