El Pe-2 fue diseñado por Vladimir M Petlyakov, quien en 1921 comenzó a colaborar con el TsAGI, centro nacional de investigaciones aerodinámicas e hidrodinámicos. Petlyakov se convirtió en un experto en construcción de alas metálicas y diseño de superficies de sustentación de todos los primeros bombarderos de Tupolev, dirigiendo también el desarrollo del ANT-6, ANT-20 y ANT-26. En 1936 fue puesto al frente de la brigada experimental ZOK para producir un nuevo bombardero, denominado en principio ANT-42, entro en servicio como TB-7 y finalmente en la Segunda Guerra Mundial lucho como Petlyakov Pe-8. 

En 1937 fue arrestado, durante las purgas de Stalin y recluido en la prisión especial TsKB-29 en la GAZ (factoría aeronáutica) No 156, allí recibió el encargo de realizar el diseño denominado KB-100 para crear el avión VI-100 (caza de alta cota). 
DESARROLLO
El VI-100 contaba con un revestimiento resistente, el ala constaba de una sección central de diedro neutro y secciones externas trapezoidales y estaba implantada en un fuselaje de sección mínima. Todas las superficies de mando estaban revestidas en tela. Los dos motores, enfriados por liquido, estaban carenados y al igual que otros bimotores soviéticos contemporáneos, los radiadores estaban en el interior del ala, entre los largueros. Los motores contaban con turboalimentacion para un mejor desempeño a alta cota y accionaban hélices de velocidad constante y paso en bandera, cualidad realmente avanzada para su época. El armamento comprendía cuatro cañones ShVAK de 20mm en el morro, cada uno con 150 proyectiles y una ametralladora móvil trasera ShKAS de 7,62mm con una cadencia de tiro de 1800 proyectiles por minuto. 

Los generadores de potencia de a bordo eran todos eléctricos y 20 motores de corriente continua accionaban los aterrizadores, flaps divididos, rejillas de los radiadores, bombas de combustible, compensadores y otros equipos. El primero de los dos prototipos voló en Mayo 7 de 1939 y tomo parte en el desfile de la Plaza Roja en Mayo 1 de 1940. Sin embargo las autoridades soviéticas decidieron convertir el VI-100 en un bombardero triplaza. Este prototipo se denominó PB-100, las secciones externas alares tenían frenos de picado y una nueva planta trapezoidal ajustada a la modificación del centro de gravedad; el fuselaje había sido rediseñado y el diedro de los estabilizadores aumentado, los empenajes verticales eran mayores y se hallaban en los bordes marginales de los estabilizadores. 

El nuevo fuselaje presentaba acomodo espalda con espalda del piloto y el navegante-bombardero, quien se tendía a proa para realizar la puntería a través del morro transparente, tras él deposito del fuselaje se hallaba el tercer tripulante, quien accedía al avión a través de una trampilla dorsal y servia la radio y una ametralladora ventral. La carga ofensiva standard comprendía cuatro bombas FAB-250 de 250kg o seis FAB-100 de 100kg en la bodega principal; con la segunda opción, otras dos bombas de 100Kg podían estibarse en unos pequeños compartimentos carenados situados en la sección de popa de las góndolas motrices. Normalmente estos aparatos llevaban una batería de dos ametralladoras ShKAS de 7,62mm de tiro frontal, apuntadas por el piloto, otra ShKAS, dorsal, servida por el navegante y bombardero y otra de tiro ventral por el operador de radio. 

AVIONES DE SERIE
El primer Pe-2 salió de la línea de producción en Noviembre 18 de 1940, además se había dispuesto la posibilidad de operarlo con esquíes. A principios del programa de producción, los radiadores de aceite fueron instalados en unos conductos mejorados de menor resistencia aerodinámica, en las secciones inferiores de las góndolas. La producción en la fabrica GAZ-22 se masifico rápidamente y para la época de la invasión, el ejercito ruso contaba con 458 unidades, de las cuales 290 servían en regimientos operacionales, entre ellos el 24° BAP (regimiento de bombardeo) y el 5° SBAP (regimiento de bombardeo veloz). El motor instalado en los primeros aparatos de serie era el VK-105RA estabilizado a 1100hp y dotado con una hélice VISh-61 (derivada de la Hamilton Hydromatic). En 1943 se lo doto con el motor VK-105PF de 1260hp hasta el final de la guerra. Las versiones standard, la Pe-2, la Pe-2FT de bombardeo, la Pe-2R de reconocimiento, la Pe-2UT de entrenamiento y la Pe-3bis de caza, sumaron un total de 11.427 unidades entregadas hasta que su producción finalizo a principios de 1945. 

VERSIONES
Dentro de las versiones tenemos; en la Pe-2FT (requerimiento de primera línea) se reemplazaba la ametralladora de accionamiento manual ShKAS del navegante y operador de radio por una UBT de 12.7mm en torreta MV-3. Otra de las mejoras adoptadas fue la introducción a mediados de 1942 de puestos de tiro lateral, a través de los cuales el operador de radio podía utilizar una ametralladora ShKAS. 
El Pe-2UT fue el entrenador estándar de los pilotos, que equipado con doble mando acomodaba al piloto en una cabina adicional que reemplazaba él deposito central del fuselaje. Fue puesto en vuelo en Julio de 1943. El Pe-3bis fue la versión de caza que se construyo en cantidades significativas, algunos aparatos conservaban la bodega de bombas y unos pocos llevaban raíles subalares para cohetes RS-82 o RS-132 destinados a las misiones de ataque a baja cota o antitanque, sin embargo en la mayoría se había eliminado el tercer tripulante y en su lugar se instalaba un armamento mas pesado como un ShVAK, un UB y tres ShKAS o dos ShVAK y dos UB. 
 
 

Pe-2FT TIPO: Bombardero táctico triplaza PLANTA MOTRIZ: Dos motores lineales de 12 cilindros en U Klimov VK-05PF, de 1260hp de potencia unitaria VELOCIDAD MAXIMA: 450km/h a nivel del mar TECHO DE SERVICIO: 8800m AUTONOMIA: 1300km con una carga de 1000kg de bombas PESO: 6200kg vacio/8500kg máximo DIMENSIONES Envergadura:17,11m Longitud: 12,78m Altura: 3,42m Superficie alar : 40,50m2 ARMAMENTO: Dos ametralladoras fijas en la sección de proa ShKAS de 7,62mm, una ametralladora UBT de 12,7mm en torreta dorsal MV-3, una ShKAS de acción manual en la parte ventral, una ShKAS desde los puestos de tiro laterales CARGA BELICA: Cuatro bombas FAB-100 ( de 100kg) en la bodega interna de armas, dos FAB-100 en las secciones traseras de las góndolas motrices, cuatro FAB-250 (de 250kg) en soportes externos bajo la sección central alar.

Versiones de Pe-2
Pe-2Sh: versión Shturmovik (blindada de ataque) voló en Octubre de 1941, diferentes instalaciones de armamento pesado, dos ShVAK y dos UBT en contenedor ventral, armas en ángulo de 40° hacia abajo.
Pe-3: prototipo inicial de caza de 1941, con varias armas pero estandarizado en dos ShVAK y dos UB de tiro frontal ( mas dos ShKAS en la versión bombardero) además de la torreta dorsal, se construyeron 23 unidades.
Pe-3Bis: modificación a caza nocturno, verano de 1941; idéntica al Pe-2 pero con un ShVAK, una UAB y tres ShKAS de tiro frontal ( con o sin capacidad para bombas y cohetes subalares): entregados unos 300 aparatos, producidos en GAZ:22
Pe-3R: versión de reconocimiento naval para la Flota Septentrional, con el armamento del Pe-3 y varias instalaciones de cámaras. 
Pe-2L: denominado posiblemente Pe-3L, fue una versión con esquíes, enero de 1942.
Pe-2FT: bombardero estándar a partir de mayo de 1942, con acristalamiento proel reducido (solo superficie inferior) torreta MV-3, armamento trasero incrementado, sin frenos de picado, principios de 1943 Pe-2/M-28: avión propulsado por motores radiales M-82, ala de perfil modificado para reducir velocidad de aterrizaje, mas pesado pero más rápido que el modelo standard.
Pe-2VI: caza de alta cota aparecido a mediados de 1943, con célula enteramente revisada, motores VK-107, refrigeradores de aceite junto a los radiadores alares y cabina presurizada.
Pe-2UT: conocido también como de-2S, Pe-2T y Upe-2 ( utilizado en la posguerra por los checos como CB-32) era un entrenador de doble mando utilizable con la carga de bombas, construido en serie a partir de julio de 1943.
Pe-2B: bombardero estándar de 1944, evaluado en 1943, con mejoras en la célula y los sistemas, una ShKAS y tres UBT
Pe-2R: avión de reconocimiento producido en corta serie, con motores PF-2, mas combustible, tres UB o BS, tres o cuatro cámaras, velocidad máxima de 580km/h, peso 7600kg
Pe-2R: avión prototipo de reconocimiento a alta velocidad, motores VK-107ª de 1650hp, combustible para 2000km, tres cañones ShVAK, velocidad de 630km/h, designación igual al anterior.