В началото на войната поради слабата летателна и тактическа подготовка на съветските летци, частите, въоръжени с Пе-2, търпят големи загуби най-вече от немските изтребители. Въпреки това още в първия ден на войната 17 бомбардировача успяват да разрушат мост със стратегическо значение на р. Прут на румънско-молдовската граница. С нарастването на бойния опит на екипажите, успешните действия се увеличават, но това става много бавно и с цената на тежки загуби. Положението се утежнява и след появата на „дървените“ Пе-2 от 115-а производствена серия. В края на 1942 – началото на 1943 г. на няколко пъти дори са забранявани полетите с Пе-2 до изясняване на причините за пораженията. Такава забрана е наложена на 29 януари 1943 г. на Сталинградския фронт, след като немски Fw-190 свалят всичките 14 бомбардировача Пе-2, участващи в един боен полет.