Пе-2Б с моторами М-105ПФ создавался по типу Пе-2А с добавлением новых коков винтов, обеспечивающих лучшее сопряжение с мотогондолами, иной капотировкой моторов, аэродинамическими улучшениями по предложениям ЦАГИ. В частности, предусматривалась установка маслорадиаторов и всасывающих патрубков в передней кромке крыла. Переднюю часть крыла также предполагалось изменить: от передней кромки до первого лонжерона консолей профиль должен был соответствовать типу NACA-230. По расчетам максимальная скорость полета при нормальном полетном весе 7900 кг должна была составить 560 км/ч, дальность полета возрасти до 1200 км за счет введения дополнительных бензобаков. Вооружение не изменялось. Для постройки этого варианта был выделен самолет 19/223.
С течением времени перечень изменений, предусмотренных для Пе-2Б, также несколько пересматривался, но значение этого самолета, как наиболее реального претендента на роль эталона 1944 г., возрастало. Постройка его, однако, затянулась, и самолет был готов к полетам только в декабре 1943 г. От переноса маслорадиатора в крыло пришлось отказаться (в опытном цехе завода катастрофически не хватало рабочих, все силы были брошены на выпуск серийных пешек), остался неизменным и профиль крыла серийного Пе-2. Всасывающий патрубок нагнетателя смонтировали в одном тоннеле с маслорадиатором - в бороде под редуктором мотора. На этом самолете были реализованы почти все предложения ЦАГИ, опробованные при переделке серийной машины 19/205. В отличие от самолета, модифицированного институтом, Пе-2Б был лишен излишеств (например, быстро разрушающейся шпатлевки, нанесенной на тонкую металлическую обшивку), но зато оборудовался новой кабиной пилота-штурмана с увеличенным фонарем и стрелковой установкой ФЗ. Зима 1943-1944 гг. выдалась в Казани исключительно суровой, со снежными заносами, метелями и температурой воздуха до -35 С. В этих условиях аэродром завода захлебнулся и не смог пропустить через себя массу серийных самолетов (в месяц завод 22 выпускал 200-240 машин, т. е. 10-12 серий). На летном поле скопилось большое количество нормальных пешек, испытания Пе-2Б также срывались. Во время небольшого перерыва в снегопадах удалось спешно подготовить аэродром к полетам, но ... неожиданно наступила оттепель. В конце января аэродром раскис - летать снова было нельзя. Так продолжалось до конца февраля.
Первые испытательные полеты Пе-2Б принесли разочарование - максимальная скорость составила всего 524 км/ч вместо запланированных 560 км/ч. Началось скрупулезное исследование влияния различных факторов на скорость полета: положение створок масляных и водорадиаторов, формы тоннелей, всех выступающих деталей. Постепенное введение улучшений дало прибавку скорости 10 км/ч. Вскоре после передачи Пе-2Б на государственные испытания выяснилось, что моторамы силовых установок имеют трещины (один из конструктивно-технологических дефектов Пе-2, оставшийся не устраненным до окончания производства). Самолет вернули на завод для усиления моторам. Снова в НИИ ВВС он попал только в мае-июне 1944 г., когда Пе-2И уже летал. И хотя по результатам госиспытаний Пе-2Б был рекомендован в серию, но НКАП отклонил это предложение, делая ставку на суперпешку - Пе-2И.
