A comienzos del año 1941 a una versión de caza pesado, modificada a partir del bombardero táctico "Pe-2" se le dio la designación "Pe-3". Era un aparato biplaza (en contraposición al bombardero, que era un tres plazas), en el cual, el artillero, se sentaba de espaldas al piloto para repeler posibles acercamientos por popa. La bahía de bombas, era reemplazada por una mayor capacidad de portar combustible. Únicamente 23 "Pe-3" pudieron ser construidos antes del inicio de la invasión alemana y la producción, fue finalizada durante el verano de 1941 cuando cada aparato "Pe-3" que permanecía en la línea de producción, era modificado antes de salir de las líneas de montaje a la versión Pe-3bis. Se construyeron en torno a 1.300 unidades entre todas las versiones, especialmente de la versión de caza nocturno.