В августе 1938 года в ОКБ-29 НКВД в бригаде В.М.Петлякова началось проектирование высотного истребителя "100" (СТО, ВИ-100). Для самолёта была выбрана аэродинамическая схема свободнонесущего моноплана с гладкой обшивкой и двухкилевым оперением. Новинкой было применение двухместной гермокабины, турбонагнетателей, широкое применение электромеханизмов. Предусматривалось достаточно мощное вооружение: 2 пушки, 2 пулемёта, 2 кассеты трёхдюймовых артиллерийских снарядов (по 24 в каждой). Сроки для проектирования были установлены жёсткие. Так как гермокабину и турбонагнетатели к сроку готовы не были, самолёт срочно перекомпоновали. Для сохранения центровки второго члена экипажа перенесли к задней кромке крыла. В таком виде макет ВИ-100 7 мая 1939 года был представлен комиссии. После одобрения проекта началось изготовление чертежей. Осенью 1939 года на заводе №156 изготовлен первый прототип. 22 декабря лётчик-испытатель П.М.Стефановский впервые поднял его в небо. Весной 1940 года завершено изготовление второго прототипа. Его без проведения заводских испытаний передали в НИИ ВВС.

Но объективная оценка состояния авиации потенциальных противников показала, что в ближайшие годы не следует опасаться массового применения высотных бомбардировщиков, поэтому отпала острая необходимость и высотного истребителя. В мае 1940 года Петлякову было дано указание переделать ВИ-100 в пикирующий бомбардировщик ПБ-100. Экипаж самолёта был увеличен до 3 человек. Неподвижное направленное вперёд вооружение должно было состоять либо из 4 пулемётов, либо из 2 пушек и 2 пулемётов. Нормальня бомбовая нагрузка в 600 кг должна была размещаться в центроплане. Ещё 400 кг бомб можно было подвешивать снаружи. На испытаниях прототип показал высокие лётные характеристики. 01.05.1940 г. прототип впервые был продемонстрирован публике во время воздушного парада над Красной площадью в Москве. Испытания завершились 10.05, а уже 23.06 было принято решение о запуске самолёта в серийное производство на заводах №22 и №39 в Москве. В декабре 1940 года самолёт получил обозначение Пе-2. Уже весной 1941 года серийные Пе-2 начали поступать в строевые части. До начала войны успели выпустить 458 самолётов.

Пе-2 построен по аэродинамической схеме свододнонесущего низкоплана. Конструкция цельнометаллическая, фюзеляж типа полумонокок, с редким силовым набором. Крыло двухлонжеронное, трапецевидное в плане. Механизация крыла состояла из закрылков типа "Шренк" и элеронов. Оперение двухкилевое. Шасси убирающееся, трёхопорное, с хвостовым колесом. В зимнее время могло устанавливаться лыжное шасси. Под консолями крыла установлены аэродинамические тормоза (решётки из стальных труб). Силовая установка состояла из 2 поршневых V-образных 12-цилиндровых редукторных двигателей жидкостного охлаждения М-105Р конструкции В.Я.Климова с трёхлопастными металлическими винтами изменяемого шага ВИШ-61Б. Водорадиаторы размещались в крыле по обе стороны от каждого двигателя. Маслорадиаторы размещались непосредственно под двигателями. Топливо размещалось в 5-9 (в зависимости от модификации) протектированных баках. Самолёт мог брать на борт до 1000 кг бомб различных типов калибром до 500 кг. Экипаж размещался в двух кабинах: лётчик и штурман в передней, стрелок - в задней. Бомбовая нагрузка размещалась в бомбоотсеке (600 кг) в центральной части фюзеляжа, в небольших отсеках в задней части мотогондол (по 100 кг) и на внешней подвеске под крылом, мелкие бомбы размещались в кассетах. При пикировании можно было сбрасывать бомбы только на внешней подвеске (при этом вся бомбовая нагрузка размещалась на наружных бомбодержателях). Под крылом могли установливаться направляющие для реактивных снарядов РС-132. Оборонительное вооружение состояло из 2 неподвижных пулемётов ШКАС (позже один заменён на УБК) у пилота, 1 ограниченно подвижного ШКАС (позже УБК) в шкворневой турели, 2 пулемёта ШКАС у стрелка (один в полу, один перекидываемый с борта на борт). Начиная с 179 серии устанавливался держатель ДАГ-10 для 10 гранат АГ-2.

Первые пять пикирующих бомбардировщиков Пе-2 прибыли в 40-й бап Черноморского флота в день начала войны с Германией. Спустя три дня полк получил еще пять "пешек". С осени 1941 г. Пе-2 уже активно применялся в морской авиации Черноморского флота.

Крупной удачей, связанной с первыми опытами боевого применения Пе-2, был налет в июле 1941 г. на румынский г.Плоешти шестерки самолетов из 40-го полка ВВС Черноморского флота. В результате удара было сожжено не менее четверти миллиона тонн нефтепродуктов, огонь бушевал трое суток. В сентябре-декабре 1941 г. Пе-2 из 40-го бап наносили удары по войскам немецкой 11 -й армии, рвавшимся к Севастополю.

Напряженные задания приводили к перегрузке, большой утомляемости летного состава и неоправданным потерям. Недостаточная согласованность в действиях прикрывающих истребителей и наносивших удары бомбардировщиков также оказывала негативное воздействие. Так, в период обороны Перекопа шестерка пикировщиков Пе-2 капитана Чеботарева под прикрытием 12 истребителей бомбардировала артиллерийскую батарею противника. На отходе группа была атакована пятеркой "мессершмиттов", в бой с которыми постепенно ввязались все советские истребители. Очевидно, что отвлечение входило в план немцев: еще одна группа Bf 109F внезапно атаковала оставшиеся без прикрытия бомбардировщики и в течение 5-7 минут сожгла все шесть машин.

Вместе с тем, имелись примеры и противоположного по результатам исхода боев "пешек" с воздушным противником. Так, 30 сентября семь Пе-2 в сопровождении пятерки ЛаГГ-3 нанесли удар по румынским позициям в районе Одессы. С горизонтального полета было сброшено 20 ФАБ-100 и 34 ФАБ-50, наблюдались прямые попадания в два танка и места скопления пехоты. В районе цели группу атаковали "мессершмитты", но дружным огнем стрелков и успешными действиями пилотов ЛаГГов нападение удалось отбить. Немцы потеряли два истребителя, все советские самолеты вернулись домой.

Не менее успешно действовали экипажи 40-го бап 10 октября 1941 г. В этот день шестерка Пе 2 под прикрытием 12 И-16 и 2 Як-1 с пикирования нанесла удар по танкам, артиллерии и войскам противника в районе Армянска. Несмотря на сильное противодействие, наша группа потерь не имела. При сомкнутом строе бомбардировщиков вражеские истребители, опасаясь поражения сосредоточенным огнем стрелков, прекращали атаки на дальностях 500-800 м, при этом вероятность уничтожения "пешки" оказывалась очень невысокой. В этот период боев стала заметной закономерность: группы Пе-2 в составе девятки несли потери только в тех случаях, когда отдельные самолеты по тем или иным причинам отрывались от строя. Чаще всего такие машины попадали под удар немецких истребителей и сбивались ими.

По состоянию на 01.01.1942 г. ВВС Черноморского флота располагали шестнадцатью бомбардировщиками Пе- 2, восемь из них базировались в Севастополе.

В период осенне-зимних боев за Севастополь на двух его аэродромах практически постоянно базировались от семи до десяти "пешек" из состава особой авиагруппы. Близость линии фронта заставила изменить тактику ударов по войскам противника и его ближайшим тылам. Взлетающие Пе-2 уходили в море, где они вне видимости с берега набирали заданную высоту. После этого, пользуясь хорошим знанием района боевых действий, они внезапно появлялись над целями, наносили удар с пикирования или крутого планирования и на повышенной скорости уходили на свой аэродром. В этих условиях пикировщики практически не нуждались в истребительном прикрытии, поскольку скоротечность удара и большая скорость при отходе не оставляли противнику шансов на перехват.

Группировка "пешек" на Черном море к лету 1944 г. была значительно усилена и на 1 июня насчитывала 78 самолетов. Сюда был переброшен с Севера 29-й бап, получил пополнение и 40-й бап. Эти полки вместе с 6-м иап на самолетах Як-9 и 43-м иап на "Аэрокобрах" были сведены в 13-ю Севастопольскую авиадивизию под командованием Героя Советского Союза полковника И.Е. Корзунова и приняли участие в массированном ударе по румынской военно-морской базе Констанца 20.08.1944 г. В этот день по кораблям в порту и по береговым сооружениям отработали 59 Пе-2, все они выполняли бомбометание с пикирования. Основные цели - румынские боевые корабли - "пешки" атаковали шестерками, сбрасывая бомбы по командам ведущего или (когда гавань еще не скрыли клубы дыма и пыли от разрывов) одиночно. По официальным данным ВВС Черноморского флота в этот день противник лишился миноносца, подлодки и двух десятков других кораблей и судов. Были повреждены 2 эсминца, 5 подлодок, вспомогательный крейсер, а также ряд транспортов.

Удар, нанесенный по Констанце, замечателен тем, что в нем участвовала авиадивизия в полном составе из четырех авиаполков (два бап и два иап), следовавшая к цели компактной группой в общем боевом порядке. Над целью самолеты дивизии находились всего 20 минут. Этот удар стал первым опытом применения массированных групп авиации не только на Черноморском флоте, но и в советской морской авиации в целом.

Выпуск Пе-2 прекратился зимой 1945-46 гг. Всего было построено 11247 Пе-2 всех модификаций - больше, чем любых других советских бомбардировщиков.