29 апреля 1941 вышел приказ НКАП N 395сс "О вооружении самолета Пе-2". В исполнение постановления Правительства от 23 апреля 1941 было приказано выпускать самолет Пе-2 с новыми стрелковыми установками по заводам 22, 39 с 10 мая, а по остальным - с 1 июня 1941

В конце июля 1941 на самолетах Пе-2 производства завода № 22 появился дополнительный, пятый пулемет ШКАС в бортовой шаровой установке. Он мог переставляться с одного борта на другой, снабжался тремя магазинами общей вместимостью 225 патронов и позволял обстреливать направление, перпендикулярное оси самолета и не прикрытое огнем люковой и верхней установок. В случае гибели или тяжелого ранения штурмана физически сильные стрелки вели огонь из этого пулемета в верхней полусфере, положив его ствол на окантовку верхнего люка. С 23-й серии такая установка появилась на отдельных Пе-2, а с 27-й серии стала монтироваться на всех машинах, выпускаемых этим заводом.

В исполнение постановления ГКО от 23 августа 1941 N 566сс:
1. Нач. 10 ГУ Тарасевичу и директору завода 125 Иосиловичу в целях упрощения самолета Пе-2 в производстве на заводе 125 и в эксплуатации провести на самолете Пе-2 следующие изменения:
Снять с самолета Пе-2
а) тормозные воздушные решетки с управлением и моторами
б) бензиновые краны с пневматическим управлениям, заменив их клапанами
в) дистанционное управление с моторчиками в количестве 13 единиц
г) автомат пикирования заменить ручным управлением триммером РВ
д) из 6 кислородных баллонов оставить 3
е) РПК Чайка ставить на каждый 10 самолет
3. Директору завода 125 и ГК В.М.П. обеспечить серийное производство самолетов Пе-2 в указанном варианте, освоить производство указанных самолетов и начать серийный выпуск их по графику с 5 ноября 1941

В конце сентября - начале октября 1941. Усовершенствованный Пе-3 - Пе-Збис (первый с таким названием) был испытан в НИИ ВВС летчиком А. Хрипковым. Самолет зав. № 392207 в ходе испытаний совершил 40 полетов.

Опытный Пе-Збис отличался от испытанного ранее серийного Пе-3 следующими особенностями:
- взамен пулеметов БК в носовой части фюзеляжа установлены два унифицированных крупнокалиберных пулемета УБК, причем второй пулемет размещен на месте, где у Пе-2 располагался ШКАС, т.е. непосредственно перед пилотом. Боезапас пулеметов УБК - по 250 патронов на ствол;
- на месте, где прежде располагался нижний крупнокалиберный пулемет, смонтирована пушка ШВАК калибра 20 мм с боезапасом 250 патронов;
- вместо верхней турельной установки штурмана ТСС-1 с пулеметом ШКАС смонтирована подвижная установка с пулеметом УБТ и боекомплектом из 180 патронов во вращающейся башне;
- укорочен фонарь кабины пилота, а противокапотажная рама перемещена вперед на полметра;
- система заполнения бензобаков азотом заменена так называемой «системой нейтрального газа» (в баки подавались охлажденные выхлопные газы моторов);
- на всех стеклах кабины установлены шторки для предотвращения ослепления экипажа.
Полетная масса истребителя увеличилась до 8040 кг (на 180 кг больше, чем у Пе-3), а скорость на границе высотности незначительно уменьшилась - до 530 км/ч, но зато возросла скорость у земли до 448 км/ч. Автоматические предкрылки несколько упростили технику пилотирования, особенно на посадке.
Несмотря на неоднократные требования военных, завод № 39 оказался не в состоянии установить на Пе-Збис радиополукомпас РПК-10 из-за неритмичных поставок этих приборов. Неожиданным последствием монтажа в носовой части фюзеляжа пушки ШВАК оказалась большая остаточная девиация магнитного компаса А-4, достигавшая двух десятков градусов. Эти обстоятельства, в совокупности с уменьшением остекленной площади носовой части фюзеляжа и неизбежным ухудшением условий ориентирования, сильно затрудняли полеты на большую дальность, да и вообще над незнакомой местностью.