Пе-3 – модификация машины Пе-2. Самолет являлся двухместным истребителем-перехватчиком, бомбардировщиком и фоторазведчиком. Размеры, конструкция и оборудование на его борту остались такими же, как у прототипа. Существенные изменения произошли с крылом, конструкторы добавили к нему автоматические предкрылки. После смены назначения самолета появилась необходимость пересмотра показателей скорости и дальности полета.

Базовый самолет ПЕ-2 был оборудован 8-ю бензобаками, увеличить их объем в данной конструкции было невозможно без внесения радикальных изменений в схему, но времени на такие переделки не было. Чтобы достичь дальности полета 2000 км,
в середину и хвост фюзеляжа добавили дополнительные баки с топливом, вмещающие до 700 л. Для сохранения балансировки их разместили недалеко от центра тяжести, что не давало возможности оборудовать место для стрелка-радиста. Оно было занято двумя баками с горючим, третьему нашлось место в отсеке для бомб фюзеляжа. Самолет превратился в двухместный, но нижний люк в хвостовой части машины сохранили, в нем при перебазировании улетали техники, обслуживающие самолет.

Вооружение для наступательных действий на истребителе было усилено, носовую часть фюзеляжа оборудовали дополнительным пулеметом БК, имевшим калибр 12,7 мм, к нему прилагалось 150 патронов. Таким образом, в состав стрелкового вооружения самолета входили 2 крупнокалиберных пулемета БК и один ШКАС, в комплект которого входило 750 патронов. Во время серийного выпуска ШКАС упразднили, но пулеметы БК получили дополнительно по 100 патронов каждый.

Верхняя турельная установка штурмана, оборудованная пулеметом ШКАС, была такой же, как на Пе-2. Поскольку стрелка, ведущего огонь назад и вниз, не было, вместо него в хвостовой части установили неподвижный пулемет ШКАС с 250-ю патронами к нему, такая версия было разработана для высотного истребителя «100».

Бомбардировочная установка стала предельно простой, сохранилось всего четыре держателя для бомб: два в мотогондолах, еще два - под центропланом, с наружной стороны. Общая бомбовая нагрузка равнялась 400 кг, перегрузочная состояла из двух бомб по 250 кг и двух по 100 кг. Электрическая система сбрасывания бомб была удалена, сохранилась только аварийная механическая. Убраны были и тормозные решетки с приводами, находящиеся ранее под консолями.

ПЕ-3 бис отличался от прототипа вооружением, в носовой части было установлено два УБК, один из которых – прямо перед пилотом. Каждый ствол был снабжен 250 патронами. Нижний пулемет заменили пушкой ШВАК с 250 патронами, а ТСС с пулеметом ШКАС заменили на УБТ со 180 патронами.

П-3Р – самолет с двумя фотокамерами, использовался в качестве фоторазведчика для фотосъемки. Под центропланом на нем были установлены баки для горючего.

Пе-3М - являлся модифицированной версией Пе-3с, был оборудован двумя силовыми установками ВК-105ПФ, имеющими мощность 1210 л.с. Полетная масса вместе с подвешенными бомбами (700кг) составляла 8,3 т. При подъеме на высоту 4 км, самолет развивал скорость до 545 км/час. Был вооружен двумя 20 –миллиметровыми пушками ШВАК, тремя пулеметами БС и двумя гранатометами
ДАГ-10. Первый полет на нем совершили летом1944 года, но в серийное производство не был запущен.