Thiết kế và cách trang bị của Pe-3 theo cách nào đó có thể so sánh với các loại máy bay như Junkers Ju 88 của Đức và De Havilland Mosquito của Anh. Liên Xô nhận ra sự cần thiết phải có một mẫu máy bay tiêm kích bay đêm sau trận ném bom ban đêm đầu tiên tại Moscow trong Chiến dịch Barbarossa. Petlyakov Pe-2 được lựa chọn để sửa đổi như mẫu máy bay sẵn có phù hợp nhất.