В битві на курській дузі взяли участь два корпуси оснащені Пе-2 — 1-й і 3-й. В перші дні боїв Пе-2 використовувались невеликими групами по 9 літаків, але з 9 липня перейшли до масових нальотів, зокрема 15-17 липня екіпажі 3-го корпусу здійснили 722 бойові вильоти. Після перемоги під Курськом 1-ий корпус бився під Харковом, а 2-ий був перекинутий з Кубані до Смоленська. Окрім підтримки наступу Пе-2 залучались до знищення комунікацій противника, хоча нальоти не завжди були ефективними через малий калібр бомб.