Пе-2 активно применялся в частях фронтовой и морской авиации с первых дней Великой Отечественной войны и до её конца, а также в боях с Японией.
Разработка пикирующего бомбардировщика Пе-2 была начата под руководством В. М. Петлякова в специальном КБ НКВД (так называемой «шарашке») силами заключённых авиаконструкторов. Изначально самолёт проектировался как двухмоторный высотный истребитель и носил индекс ВИ-100.
Первый полёт Пе-2 совершил 22 декабря 1939 года на аэродроме ЛИИ в Жуковском. После завершения испытаний самолёт начал выпускаться серийно в конце 1940 года.
В начале войны Пе-2 был единственным советским бомбардировщиком, способным действовать с относительно небольшими потерями в условиях господства немцев в воздухе. К началу битвы за Москву Пе-2 составляли примерно четверть от общего состава Советской бомбардировочной авиации.
В 1943 году Пе-2 принимали активное участие в Курской битве, уничтожая танки, артиллерию и живую силу противника.
1944 год стал «звёздным часом» для Пе-2. Тогда эти бомбардировщики играли важную, а порой решающую роль в наступательных операциях Советской армии. Например, в феврале девятка Пе-2 прямыми попаданиями разрушила мост через Днепр у Рогачёва.
В 1945 году целями для экипажей Пе-2 стали города и оборонительные сооружения на территории Германии.
Всего было построено 11 247 Пе-2 всех модификаций — больше, чем любых других советских бомбардировщиков.