В конце августа 1941 года московский завод 22 по собственной инициативе предложил свой вариант переделки Пе-2 в истребитель. Пе-2И (первый с таким наименованием), зав. номер 5/33 по принятой на этом заводе нумерации (т.е. пятый самолет тридцать третьей серии), в отличие от Пе-3, имел значительно более мощное вооружение. На месте бомбоотсека на нем была смонтирована двухпушечная установка ШВАК с боезапасом по 160 патронов на ствол. Вооружение в носовой части фюзеляжа осталось без изменений от Пе-2.
Самолет Пе-2И, подобно Пе-3, стал двухместным. В кабине стрелка-радиста установили 240-литровый бензобак, а объем центропланных баков сумели увеличить на 70 л. И все же горючего оказалось недостаточно для обеспечения дальности полета 2000 км. Поэтому применили (впервые на Пе-2) подвеску на центропланных бомбодержателях двух дополнительных баков емкостью по 180л, которые можно было сбросить после выработки топлива.
Другие изменения машины (снятие тормозных щитков, "истребительная" радиостанция и т.п.) были тождественны Пе-3. Однако вместо ШКАСа в хвостовом обтекателе на Пе-2И смонтировали не-подвижный пулемет БТ под фюзеляжем. Ориентированный назад с наклоном примерно -5╟, пулемет располагался под тем местом, где прежде находилась кабина стрелка. В выводах Акта по испытаниям самолета вместо неподвижной рекомендовалось разработать дистанционно управляемую установку пулемета БТ.
Крупным недостатком самолета Пе-2И оказалось отсутствие бронезащиты экипажа спереди, весьма нужной при атаке обороняющегося противника, хотя установить ее было в общем-то несложно, во всяком случае не сложнее, чем на Пе-3. По конструктивно-производственному исполнению Пе-2И оказался более совершенным и в целом обладал перед "конкурентом" 39-го завода определенными преимуществами, особенно в отношении вооружения. Кроме того, по данным завода, Пе-2И на всех высотах был примерно на 10 км/ч быстроходнее Пе-3, а высоту 5000 м он набирал на 30 с быстрее. Впрочем, КБ-39 оспорило приведенные заводом 22 цифры, указав, что их получили, применив "маленькую хитрость". Оказывается, в зачетных полетах на скорость, потолок и скороподъемность Пе-2И летал без подкрыльевых баков (т.е. с уменьшенной массой и лучшей аэродинамикой), а на максимальную дальность - с ними, в то время как Пе-3 испытывался при неизменной взлетной массе и конфигурации.
С целью отработки тактики действий двухмоторных истребителей в ходе испытаний Пе-2И провели ряд учебных воздушных боев с бомбардировщиком СБ и истребителем МиГ-3. Поединок с СБ убедительно свидетельствовал, что Пе-2И свободно его догоняет и атакует с любого направления, но имеет худшую маневренность в горизонтальной плоскости, поэтому бой на виражах ему противопоказан. При встрече с истребителем класса МиГ-3 "Петляков" попадал в сложное положение. В этом случае его экипажу рекомендовали две тактики: атаку на встречных курсах либо уход от противника с небольшим снижением на полном газу.
Самолет Пе-2И не стали запускать в серийное производство (завод был полностью занят выпуском Пе-2). Позднее некоторые идеи, возникшие при его разработке, использовали в конструкции последнего варианта Пе-3, строившегося небольшой серией на заводе 22 в 1944 г.
