Пе-3 - двухместный истребитель перехватчик, бомбардировщик и фоторазведчик - модификация серийного Пе-2. Оставив без изменений схему, размеры и основное оборудование, конструкторы оснастили крыло самолета в варианте истребителя-перехватчика автоматическими предкрылками. В соответствии с новым назначением самолета большое внимание было уделено увеличению продолжительности и дальности полета.

Крыло истребителя — двухлонжеронное — состояло из двух съемных консолей и центроплана. Аэродинамически оно было скомпоновано в ЦАГИ аэродинамиком Ф.Г.Глассом. Профиль крыла Пе-3 имел характерную особенность — острый носок, что, по мнению Гласса, гарантировало машине высокую скорость. Однако дальнейшее исследование показало, что это вызывало преждевременный срыв потока при полете с малой скоростью на больших углах атаки. Самолет получился очень «строгим» на посадке: малейшее перетягивание ручки грозило катастрофой. Долгое время считалось, что такова естественная плата за высокую скорость, присущую машине, чуть ли не свойство всех быстроходных самолетов. И если к «строгости» бомбардировщика Пе-2 на посадке летчики в конце концов привыкли, то для более маневренного истребителя Пе-3 подобная «норовистость» была совершенно недопустимой. Поэтому Пе-3бис оборудовали предкрылками, которые несколько затягивали срыв потока па больших углах атаки. Это в какой-то мере улучшило маневренность истребителя.

Помимо автоматических предкрылков, крыло снабжалось щелевыми посадочными щитками.

В корневых частях консолей размещались водяные радиаторы моторов. Центроплан и средняя часть фюзеляжа конструктивно были связаны в единый узел.

Фюзеляж типа полумонокок состоял из трех частей. Продольный его набор включал в себя четыре лонжерона н стрингеры, поперечный — штампованные из листового дюралюминия шпангоуты. Обшивка (дюралюминий) крепилась к каркасу заклепками «впотай». Полотно использовалось лишь при обтяжке рулей и элеронов.

Стабилизатор машины — двухлонжеронный. Он состоял из двух симметричных половин, состыкованных по оси самолета.

Кили-шайбы разнесенного вертикального оперении крепились на концах стабилизатора. На Пе-2 и Пе-3, как и на большинстве тяжелых самолетов того времени, при заходе ка посадку эффективности рулей высоты не хватало для балансировки машины. Именно поэтому в полете можно было изменять угол установки стабилизатора с помощью электромеханизма. Кроме того, на самолете имелись дистанционные электромеханизмы для управления триммерами рулей и элеронов, посадочными щитками и створками радиаторов.

Шасси — убирающееся, двухстоечной схемы, с масляно-пневматический амортизацией. Колеса 900х300 мм оборудовались пневматическими тормозами. Уборка и выпуск шасси осуществлялись с помощью гидросистемы. Костыль самоориентирующимся с колесом 470х210 мм.

Силовая установка Пе-3бис состояла из двух двигателей М-105П с воздушными винтами ВИШ-61Б. Экипаж состоял из двух человек — пилота и штурмана.

На истребителе несколько усилили наступательное вооружение, разместив в носовой части фюзеляжа дополнительный пулемет БК калибра 12,7 мм с боезапасом 150 патронов. Таким образом, носовая стрелковая установка опытного самолета состояла из двух крупнокалиберных пулеметов БК и одного ШКАСа с 750 патронами. На серийных Пе-3 пулемет ШКАС сняли, но зато увеличили боезапас у БК до 250 патронов на ствол.

Верхнюю турельную установку штурмана с пулеметом ШКАС взяли без изменений от Пе-2. Поскольку назад-вниз вести огонь было некому, вспомнили об отработайной еще для высотного истребителя «100» хвостовой неподвижной установке пулемета ШКАС с боекомплектом 250 патронов, которую и смонтировали в хвостовом коке фюзеляжа. Бомбардировочную установку радикально упростили. От обычной для Пе-2 схемы остались лишь четыре бомбодержателя: два в бомбоотсеках мотогондол и два наружных под центропланом. Суммарная масса бомбовой нагрузки составляла: нормальная — 400 кг, а перегрузочная — 700 кг (две бомбы по 250 кг и еще две по 100 кг). Электрическую систему управления сбрасыванием бомб демонтировали, оставив только аварийную механическую. Тормозные решетки под консолями вместе с приводами были ликвидированы.

Модификации:

Пе-3 - двухместный истребитель-перехватчик, выпускался для ПВО Москвы параллельно с производством Пе-2. Вооружение: два пулемета ШКАС и два БК Тормозные решетки сняты. Увеличен запас топлива. До конца 1941 г. было построено около 200 самолетов.

Пе-3бис опытный - отличался от 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; консоли крыла с целью повышения устойчивости машины при малых скоростях полета оснащены автоматическими предкрылками; 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

Пе-Збис - улучшенный двухместный истребитель-перехватчик. Вооружение: один пулемет ШКАС, три УБ и одна пушка ШВАК, восемь снарядов PC под крылом, 300 кг бомб. Устанавливались предкрылки, фотооборудование. Тормозные решетки снимались. Развивал скорость 530 км/ч на высоте 5000 м. Дальность полета составила 2000 км. Достаточно высокая скорость и мощное вооружение позволяли в первый период войны использовать Пе-3 как многоцелевой: он успешно вел бои с самолетами противника всех типов, наносил эффективные удары по наземным и морским целям, сопровождал транспортные самолеты и корабли, вел разведку.

Пе-3M - вариант Пе-3 с двумя двигателями ВК-105ПФ мощностью 1210л.с. Его основные характеристики: полетная масса - 8300 кг, в том числе бомб до 700 кг, скорость 545 км/ч на высоте 4000 м. Вооружение: две 20-мм пушки ШВАК, три 12.7-мм пулемета БС и два гранатомета ДАГ-10. Первый полет - летом 1944 года, показал хорошие летные характеристики, но в серии не строился.

Пе-ЗР – фоторазведчик. Для ведения разведки серийные самолеты оснащались двумя фотоаппаратами для перспективной плановой аэрофотосъемки, иногда устанавливалось оборудование для ночной съемки. Как правило, под центропланом, между фюзеляжем и мотогондолами, подвешивались два дополнительных топливных бака.

Пе-3 «Гнейс-2» -  На серийный Пе-3 смонтировали усовершенствованную станцию РЛС «Гнейс-2».