Ze względu na pierwotny projekt samolotu, Pe-2 miał wąski kadłub, niepozwalający na zabranie dużego ładunku bomb do powstałej komory bombowej. W efekcie normalny udźwig wynosił 600 kg, a maksymalny – 1000 kg, jednak w praktyce udźwig wynosił nieco ponad 500 kg. Samolot miał rozliczne wady: dużą prędkość lądowania, liczne przypadki samozapłonu i niedostateczną stateczność podłużną. Zaletą była dość wysoka odporność płatowca na uszkodzenia, o ile nie doszło do pożaru paliwa; lepsza niż bombowca SB. thumb|left|Pe-2FT w Muzeum Wojska Polskiego w Warszawie Niezbyt udana była również wersja nocnego myśliwca. Zamontowany radar zajmował tak dużo miejsca, że nie było miejsca dla strzelca-radiotelegrafisty, a urządzenie miało niewielki zasięg i dużą martwą strefę oraz było podatne na zakłócenia z ziemi. W toku użytkowania Pe-2 w charakterze myśliwca nocnego nie osiągnięto żadnych sukcesów.
Konstruktor samolotu Władimir Petlakow zginął 12 stycznia 1942 roku w katastrofie samolotu Pe-2, którym leciał jako pasażer. Od 29 czerwca 1943 roku głównym konstruktorem samolotu został Władimir Miasiszczew.