Пе-2 почав надходити у військові частини в 1941 році, активно застосовувався у частинах фронтової та морської авіації з перших днів німецько-радянської війни і до її кінця, а також у боях з Японією. Бойове застосування цього бомбардувальника було достатньо успішним за мірками того часу. Велика швидкість дозволяла Пе-2 активно діяти в денний час доби. Однак, перші серійні машини мали слабке оборонне озброєння — кулемети ШКАС — вкрай примхливу і малопотужну зброю, скорострільність якого почасти компенсувала інші недоліки.