По конструктивно-производственному исполнению Пе-2И оказался более совершенным и в целом обладал перед «конкурентом» 39-го завода определенными преимуществами, особенно в отношении вооружения. Кроме того, по данным завода, Пе-2И на всех высотах был примерно на 10 км/ч быстроходнее Пе-3, а высоту 5000 м он набирал на 30 с быстрее. Впрочем, КБ-39 оспорило приведенные заводом №22 цифры, указав, что их получили, применив «маленькую хитрость». Оказывается, в зачетных полетах на скорость, потолок и скороподъемность Пе-2И летал без под- крыльевых баков (т.е. с уменьшенной массой и лучшей аэродинамикой), а на максимальную дальность – с ними, в то время как Пе-3 испытывался при неизменной взлетной массе и конфигурации.

С целью отработки тактики действий двухмоторных истребителей в ходе испытании Пе-2И провели ряд учебных воздушных боев с бомбардировщиком СБ и истребителем МиГ-3. Поединок с СБ убедительно свидетельствовал, что Пе-2И свободно его догоняет и атакует с любого направления, но имеет худшую маневренность в горизонтальной плоскости, поэтому бой на виражах ему противопоказан. При встрече с истребителем класса МиГ-3 «Петляков» попадал в сложное положение. В этом случае его экипажу рекомендовали две тактики: атаку на встречных курсах либо уход от противника с небольшим снижением на полном газу.

Самолет Пе-2И не стали запускать в серийное производство (завод был полностью занят выпуском Пе-2). Позднее некоторые идеи, возникшие при его разработке, использовали в конструкции последнего варианта Пе-3, строившегося небольшой серией на заводе №22 в 1944 г.

Опытный истребитель Пе-3бис, 1941 г.

Одной из первых частей, получивших на вооружение Пе-3, стал 95-й скоростной бомбардировочный авиаполк (СБАП), прежде оснащенный Пе-2. Неплохо освоившие «пешку» пилоты и штурманы легко приспособились к особенностям истребительного варианта (вскоре и сам полк сменил наименование, стае единственной истребительной авиачастью, вооруженной Пе-3).