В январе 1942 года, после гибели В.М. Петлякова, бомбардировщикам присвоили обозначение Пе-8. Все дальнейшие работы по серийному производству и совершенствованию машины проводились под руководством И.Ф. Незваля.

Больше всего построили самолетов с двигателями АМ-35А. Однако из-за расширения производства моторов АМ-38 для штурмовика Ил-2 стали устанавливать М-82А с винтами АВ-5. Первый экземпляр такого самолета (№ 42047) прошел совместные государственные испытания в ноябре 1942 года, и его данные, несмотря на большую мощность двигателей, оказались невысокими. Так, скорость не превышала 402 км/ч, причем на высоте 2500 метров, а дальность – 5800 км. Кроме этого, у М-82А часто отказывало зажигание, требовала доводки маслосистема, а о плохой работе карбюраторов и говорить не приходится.

В 1943 году, когда на Пе-8 установили форсированные двигатели АШ-82ФН с непосредственным впрыском топлива, летные данные бомбардировщика заметно улучшились. С ними бомбардировщики и закончили свою службу, выработав свой ресурс.

Был разработан вариант самолета с двигателями АШ-82ФН с турбокомпрессорами ТК-3. Ожидалось, что его максимальная скорость достигнет 500 км/ч на высоте 8300 метров, практический потолок будет не ниже 11 000 метров, а дальность с бомбовой нагрузкой 2000 кг составит 6000 км. Однако он так и остался на бумаге.

В 1943 году А.Д. Чаромской снял со своего дизеля один из турбокомпрессоров и установил приводной центробежный нагнетатель. Это повысило надежность работы двигателя, получившего обозначение АЧ-30Б, особенно на большой высоте. Модернизированный мотор с винтами ВИШ-61В-1 устанавливался на нескольких экземплярах Пе-8. Оборонительное вооружение этой модификации включало три пулемета УБТ и пушку ШВАК в кормовой установке.

В том же 1943 году на нескольких Пе-8 носовую турель с пулеметами ШКАС заменили установкой с крупнокалиберным УБТ по типу Ил-4. Это улучшило аэродинамику машины, и, как следствие, возросли скорость и дальность полета. Улучшился обзор из кабины командира воздушного корабля.

По оценкам автора, к сентябрю 1943 года дальняя авиация потеряла свыше 27 самолетов, из них девять ТБ-7 были уничтожены зенитной артиллерией, а от 5 до 14 – на аэродроме в первый день войны.

Особое место в истории Пе-8 занимает попытка использовать его в качестве десантно-транспортного. В марте 1939 года на государственные испытания был предъявлен опытный самолет «42» с десантно-транспортной кабиной, разработанной в КБ-29 под руководством А. Привалова. Летные испытания проводили летчики-испытатели В. Дацко, И.С. Стадник и инструктор-парашютист В.Г. Романюк. Десантная кабина размером 5,6х1,27 м крепилась к лонжеронам фюзеляжа вместо снятых створок бомболюка. Внутри кабины размещалось 12 полностью экипированных десантников с парашютами ПД-6 и вооружением. В отчете по испытаниям, в частности, отмечено: «…выброска парашютистов одиночно или группами безопасна». Кабину рекомендовали для принятия на вооружение, но по неизвестным причинам работу приостановили.

30 марта 1941 года, в соответствии с постановлением правительства, на государственные испытания предъявили транспортно-десантный вариант ТБ-7 с двигателями АМ-35А. В его хвостовой части имелись две двери размером 1,15х0,75 м для десанта и грузов, усилены лонжероны центроплана, каркас планера и обшивка. В грузовом отсеке установили узлы крепления подвесной грузовой платформы для перевозки до 4000 кг грузов или для 32 десантников. Кроме того, вместо АЦН-2 разместили сиденья для восьми десантников, а сверху – люк для их выхода на крыло. Топливную систему оснастили устройствами заполнения бензобаков нейтральными выхлопными газами от двигателей, а воздушные винты – антиобледенителями. Сняли люковую стрелковую установку. Несмотря на большой объем доработок, сохранилась возможность подвески 2000-кг фугасной авиабомбы.