В конце августа московский завод №22 по собственной инициативе предложил другой вариант переделки Пе-2 в истребитель. Пе-2И (первый с таким наименованием). зав. номер 5/33 по принятой на этом заводе нумерации (т.е. пятый самолет тридцать третьей серии), в отличие от Пе-3, имел значительно более мощное вооружение. На месте бомбоотсека на нем была смонтирована двухпушечная установка ШВАК с боезапасом по 160 патронов на ствол. Вооружение в носовой части фюзеляжа осталось без изменении от Пе-2.

Самолет Пе-2И, подобно Пе-3, стал двухместным. В кабине стрелка-радиста установили 240-литровый бензобак, а обьем центропланных баков сумели увеличить на 70 л. И все же горючего оказалось недостаточно для обеспечения дальности полета 2000 км. Поэтому применили (впервые на Пе-2) подвеску на центропланных бомбодержателях двух дополнительных баков емкостью по 180 л, которые можно было сбросить после выработки топлива.

Другие изменения машины (снятие тормозных щитков, «истребительная" радиостанция и т.п.) были тождественны Пе-3. Однако вместо ШКАСа в хвостовом обтекателе на Пе-2И смонтировали неподвижный пулемет БТ под фюзеляжем. Ориентированный назад с наклоном примерно -5", пулемет располагался под тем местом, где прежде находилась кабина стрелка. В выводах Акта по испытаниям самолета вместо неподвижной рекомендовалось разработать дистанционно управляемую установку пулемета БТ.

Крупным недостатком самолета Пе-2И оказалось отсутствие бронезащиты экипажа спереди, весьма нужной при атаке обороняющегося противника, хотя установить ее было в общем-то несложно, во всяком случае не сложнее, чем на Пе-3.