Излишнее увлечение в те годы военных и гражданских авиационных специалистов истребительной авиацией побудило В. М. Петлякова и созданию высотного скоростного двухместного двухмоторного истребителя-перехватчика под индексом "100", Для Владимира Михайловича это была принципиально новая задача, так как до этого в ОКБ А. Н. Туполева он руководил созданием тяжелых самолетов.
Основное внимание при проектировании уделялось достижению высоких аэродинамических качеств самолета, что после расчетов экспериментально подтверждалось продувками в аэродинамических трубах ЦАГИ. Сложной проблемой явилось создание герметической пилотской кабины, совершенно необходимой для высотного самолета, хотя некоторый опыт по созданию таких кабин имелся в организации, которой руководил Чижевский. Другой проблемой, решенной при создании самолета, явилась реализация дистанционного электроуправления закрылками элеронами, триммерами, радиаторами и др.
В этой работе В. М. Петлякову активно помогали другие крупные авиационные специалисты - А. И. Путилов, Е. И. Погосский, Н. С. Некрасов, К. В. Минкнер, летчик и инженер Е. К. Стоман, создатель самолета-авианосца Н. С. Вахмистров, гидравлик Г. М. Башта, будущий заместитель министра авиационной промышленности С. М. Лещенко и многие другие.
В "середине 1939 г. состоялась защита эскизного проекта самолета, который, по расчетам, должен был достигать максимальной скорости полета 830 км/ч и максимальной высоты 12 км. Самолет был построен, и его испытания были поручены бригаде НИИ ВВС летчику П. М. Стефановскому и инженеру И. В. Маркову. Первый полет самолета "100" прошел успешно, однако затем возникли многочисленные дефекты, включая отказ правого мотора, прогрессирующие колебания стоек шасси, путевая неустойчивость и даже пожар в кабине, закончившийся вынужденной посадкой. Но дефекты постепенно устранялись, и на параде над Красной площадью в 1940 г. летел второй экземпляр самолета, за попетом которого его создатель В. М. Петляков наблюдал из-за решетки окна здания КОСОС.
После парада было получено указание - из "сотки" истребителя сделать "сотку" пикирующего бомбардировщика и сделать очень быстро. Чертежи новой модификации самолета были изготовлены за два месяца. Так родился самолет Пе-2.
К сожалению, это было сделано с некоторым опозданием, так как необходимость в таком самолете проявилась еще во время гражданской войны в Испании, где немецкие фашисты успешно использовали пикировщик Ю-87. Однако последовательная замена в связи с репрессиями на протяжения четырех лет четырех главнокомандующих ВВС - Алксниса, Смушкевича, Локтионова, Рычагова не позволила выработать тактическое направление развития военной авиации. О целесообразности разработки этого типа самолета наглядно подтвердили и сами немцы, которые в 1940 г. демонстрировали свой истребитель "Мессершмитт 109" и бомбардировщики "Юнкерс 88", "Хейнкель 100" и "Дорнье 213", однако пикирующий бомбардировщик не показали.
Переделкой "сотки" интересовались все, от молодого Наркома авиационной промышленности А. И. Шахурина до руководителей в Кремле. Комиссия приняла макет самолета, в конструкцию которого были внесены многочисленные изменения, самым крупным из которых являлась установка под крылом тормозных щитков-решеток для ограничения скорости при пикировании, выпускавшихся автоматически, и применение мощных моторов М-105 конструкции В. Я. Климова. Самолет был вооружен пулеметами и мог нести бомбовую нагрузку 600 кг, а в перегруженном варианте 1000 кг. По скорости самолет Пе-2 мало уступал истребителям и превосходил немецкие бомбардировщики Хе-111 более чем на 100 км/ч и Ю-88 на 75 км/ч. Это преимущество давало самолету Пе-2 возможность активно действовать в светлое время суток.
Самолет сразу начали изготавливать серийно на двух заводах, минуя испытания и довсцку, что первоначально сказалось на надежности бомбардировщика. В организации серийного производства активно участвовали директор завода В. А. Окулов, главный инженер завода А. А. Кобзарев, П. В. Дементьев. В это время В. М. Петляков был освобожден из-под стражи.
При испытаниях самолет достигал скорость 510 км/ч и успешно выполнял тестовые боевые задачи. Однако при посадке возникали трудности, связанные с управлением, что объяснялось не совсем удачным профилем крыльев самолета, с поверхности которого происходил несимметричный срыв потока, в результате чего машина "проваливалась". Следовало менять крыло, однако серию останавливать было нельзя и были приняты другие конструктивные решения, в связи с чем "строгость" в управлении при посадке осталась.
В начале 1941 г. коллектив создателей самолета Пе-2 получил денежную премию, а его руководитель - Сталинскую премию I степени.
Первые боевые полеты Пе-2 выявили необходимость разработки оборонительного вооружения (бронирование для стрелка-радиста) и переделки патронного ящика нижней стрелковой установки. В. М. Петляков в кратчайшие сроки выполнил эти доработки и, организовав на серийном заводе опытный цех, приступил к работе над модификацией самолета Пе-2, первой из которых была Пе-2М с поднятым крылом, что позволяло подвешивать под уширенным внизу фюзеляжем мощные бомбы по 500 кг и даже по 1000 кг. Второй модификацией явилась Пе-2ВБ в варианте высотного бомбардировщика. Всего за период войны авиационными заводами было выпущено 11427 самолетов марки Пе-2.
Существовала и выпущенная малой серией еще перед началом войны модификация Пе-3, которая в основном повторяла "сотку" и имела кроме стрелково-пушечного вооружения бомбовое вооружение и крупнокалиберные реактивные снаряды. Кроме того, самолет имел фотооборудование для воздушной разведки.
Два полка 6-го авиакорпуса ПВО, вооруженные истребителями Пе-3, воевали под Москвой, проводя успешные штурмовые действия против вражеских войск. Два других полка Пе-3 особой морской авиационной группы под командованием генерал-майора А. Г. Петрухина воевали на морских театрах военных действий против кораблей а портовых сооружений врага.
Наши бомбардировочные полки, вооруженные самолетами Пе-2, успешно выполняли боевые задачи. Немецкие истребители несли естественные потери. Так, 5 октября 1941 г, экипаж Пе-2 под командованием комиссара авиаэскадрильи старшего лейтенанта Б. К. Горслихина принял неравный бой с девятью фашистскими истребителями Me-109, в ходе которого сбил три вражеских самолета. Боевые действия на Пе-2 тесно связаны с именем известного летчика Героя Советского Союза генерал-майора авиации И. С Полбина.
Бесстрашные удары по врагу прославили нашу бомбардировочную авиацию. Так, в дни Сталинградской битвы активные боевые действия вели экипажи 150-го бомбардировочного полка под командованием И. С. Полбина. Советские пикировщики Пе-2 прорвались днем к немецкому бензохранилищу а районе хутора Морозовский. Несмотря на то что бензохранилище было тщательно замаскировано и усиленно охранялось зенитной артиллерией, на втором заходе бомбардировщики зажгли резервуары с горючим, оставив немецкие танки без топлива. В битве на Кубани и под Курском самолеты Петлякова громили артиллерию, склады боеприпасов, танки и бронемашины врага, уничтожали эшелоны с воинскими грузами.
Пикирующие бомбардировщики Пе-2 воевали от начала до конца войны. В конце апреля 1945 г. группа этих самолетов под командованием М. Воронкова и А, Якобсона провели точечную бомбардировку взлетно-посадочной полосы в центре Берлина, предназначенную для бегства руководителей третьего рейха, и полностью вывели ее из строя.
На самолетах Пе-2 воевали летчицы 125-го гвардейского авиационного полка имени М. Расковой, которые начали свой боевой путь на Волге, а окончили в Восточной Пруссии.
Самолет Пе-2 выполнял и неожиданные задачи, например, Герой Советского Союза А. Смирнов вывез на нем из окружения пять летчиков-истребителей, оставшихся без самолетов, разместив по двое в кабинах пилота и стрелка-радиста и одного в бомболюке.
Летом 1945 г. в газете "Правда" была помещена фотография пикирующего бомбардировщика Пе-2 с надписью "Оружие Победы".