Pe-2FT mały|lewo|Silnik WK-105PF (M-105) eksponowany w MLP w Krakowie Pierwotna wersja Pe-2 została od 1942 roku zastąpiona przez Pe-2FT. Nowa maszyna posiadała lepsze uzbrojenie obronne (pojedyncze karabiny maszynowe 7,62 mm w wieżyczce grzbietowej i po każdej stronie belki ogonowej), usunięto z niej podskrzydłowe hamulce aerodynamiczne, zmniejszono przeszklenie przedniej części kadłuba, w lutym 1942 roku zaś możliwe stało się wyposażenie samolotu w mocniejsze silniki. W wyniku dalszych prac rozwojowych powstały takie wersje jak: samolot rozpoznania fotograficznego dalekiego zasięgu Pe-2R, ze zbiornikami o większej pojemności, samolot szkolny UPe-2 z przebudowaną kabiną i podwójnymi przyrządami pilotażowymi, wielozadaniowy samolot myśliwski Pe-3 uzbrojony w działka 20 mm i dwa karabiny maszynowe 12,7 mm na dolnym i górnym stanowisku strzeleckim oraz prowadnice dla pocisków rakietowych 132 mm. Istniało także wiele wersji eksperymentalnych.
Pe-2 był także obiektem doświadczeń z zastosowaniem silników rakietowych od października 1943 r. Osiągnięto prędkość większą o 92 km/godz. od pierwotnej.