Серийное производство Пе-3 разворачивалось с большими трудностями Комплекты чертежей на ряд узлов подготовить не успели, поэтому первые машины собирали по эскизам, а детали подгоняли по месту. Новые крупные сборочные единицы – бензобаки, носовая установка дополнительного пулемета БК и хвостовая установка ШКАСа не были в достаточной степени отработаны, что приводило к сбоям производства.
В процессе «отстрела» носовой установки выяснилось, что плексигласовый носок фюзеляжа не выдерживает давления дульных газов и разрушается. Его заменили сначала на дюралевый, а позднее на стальной. Заметим, что отличия, связанные с ликвидацией части остекления в носу фюзеляжа, являются важнейшими признаками, позволяющими опознать Пе-3 среди бомбардировщиков Пе-2, ведь внешне самолеты почти не отличались друг от друга. Кроме упомянутых, характерными признаками Пе-3 являются: отсутствие тормозных решеток (их не было и на разведчиках Пе-2), бортовых блистеров, верхнего остекленного люка и стрелковой установки радиста в средней части самолета. Хвостовой ШКАС был практически незаметен.
Новые стрелковые установки имели ряд дефектов. Гильзы и звенья крупнокалиберных пулеметов, вылетавшие при ведении огня наружу, били по передней кромке крыла, нижней поверхности фюзеляжа, образуя царапины, вмятины и рваные отверстия в обшивке. В отдельных случаях гильзы залетали даже в тоннели водорадиаторов. Эксперименты с изменением формы гильзо- и звеньеот- водов практически ничего не дали, В конце концов решили просто собирать гильзы и звенья в специальные гильзо- сборники. По оценке ведущего инженера Макарова и летчика Степанчонка, серийный Пе-3 нуждался в доработках, важнейшими из которых должны были стать: усиление наступательного вооружения за счет установки пушки ШВАК в дополнение к двум пулеметам БК; усиление оборонительного вооружения путем замены турельного ШКАСа штурмана на крупнокалиберный пулемет БТ; введение бронирования экипажа спереди и увеличение размеров задней бронеплиты штурмана; замена радиостанции РСИ-4 на другую, с большим радиусом действия; установка на часть машин фотоаппаратсв для использования Пе-3 в качестве разведчика.