Уже в 1943 году было выпущено 18 Пе-8 с двигателями М-82 (с 1944 года – АШ-82), а всего с этими моторами до окончания выпуска 32 самолета.
Вносились в ходе выпуска и иные изменения – в частности, установили новую носовую стрелковую башенную установку, перекомпоновали кабину штурмана, изменили состав оборудования.
Хотя выпуск Пе-8 не был в полном смысле массовым – в 1944 году было построено 18 машин, а всего с учетом прототипов – 93 самолета – тяжелые бомбардировщики приняли участие в ряде операций дальней авиации РККА, нанося удары по Данцигу, Кенигсбергу, Мариенбургу и другим удаленным целям.
Отдельной страницей стало применение Пе-8 для нанесения ударов с использованием сверхтяжелых бомб ФАБ-5000, созданных в 1943 году.
Вес фугасной бомбы ФАБ-5000 равнялся 5080 кг. Её взрыв образовывал в земле воронку диаметром 18–24 и глубиной 6–9 м. Поскольку диаметр бомбы – 1000 мм – превышал размеры бомбоотсека Пе-8 (по длине бомба ему соответствовала), для нее пришлось разработать специальную систему держателей.
Первые ФАБ-5000 были применены при бомбардировках Кенигсберга уже в апреле 1943 года. Всего до весны 1944 года бомбардировщиками было сброшено 13 бомб ФАБ-5000. Пять бомб в том числе было сброшено в июне – июле 1943 года в районе Орла и Курска, где они применялись для разрушения железнодорожных коммуникаций (в т. ч. железнодорожного узла г. Орел) и укреплений. В 1944 году с целью оказания психологического воздействия на правительство Финляндии две бомбы ФАБ-5000 были также сброшены на Хельсинки.
Выполняли Пе-8 и более специфические задачи. В 1942 году серийный Пе-8 с двигателями АМ-35А (дополнительно было установлено только кислородное оборудование) доставил советскую делегацию во главе с наркомом иностранных дел В. Молотовым в Великобританию, а затем в США в 1942 году. Маршрут перелета проходил над оккупированной Европой, самолет несколько раз пересек линию фронта и благополучно совершил полет над океаном. При этом истребителями люфтваффе не было предпринято даже попыток перехвата.
Рассматривались также варианты специализированных модификаций самолета, в частности военно-транспортного варианта, способного перевозить 50 человек десанта. Кроме размещения десантников внутри фюзеляжа, предлагалось использование подвесных десантных кабин. Еще в марте 1939 года государственные испытания прошел опытный самолет «42» с десантной кабиной размером 5,6 х 1,27 м, вмещавшей 12 парашютистов со штатным вооружением.
В марте 1941 года на государственные испытания был передан транспортный вариант самолета ТБ-7 4АМ-35А, оборудованный установленными в бомбоотсеке креплениями для грузовой платформы, на которой мог быть размещен груз до 4 тонн. Дополнительно также установили сиденья для 32 десантников, для обеспечения погрузки оборудовали две двери, а также усилили лонжероны центроплана.
Однако к идее превратить ТБ-7 в транспортную машину руководство ВВС преимущественно относилось скептически в первую очередь из-за невысоких темпов его строительства, в то время как самолеты подобного типа требовались в значительно большем количестве.
Однако уже в 1943 году, после успешного опыта доставки советской делегации за океан, перед И. Незвалем была поставлена задача создания специализированного пассажирского самолета для перевозки имеющих небольшой состав правительственных делегаций с обеспечением комфортабельных условий.
Было решено построить два самолета Пе-8 ОН (особого назначения), которые были готовы к концу 1944 года.
В пассажирской кабине, оборудованной в хвостовой части фюзеляжа, устанавливалось 12 кресел с откидными спинками, перед ней в центроплане имелась спальная кабина, с тремя диванами, в хвосте размещался туалет. Пассажирская кабина не была герметичной, но имела тепловую и звукоизоляцию стенок, отопление, индивидуальную вентиляцию и кислородное оборудование. Навигационное и радиооборудование самолета не отличалось от серийного. Была сохранена и часть вооружения: носовая огневая точка с 12,7-мм пулеметом УБТ, кормовая башня с 20-мм пушкой ШВАК и стрелковые установки, размещавшиеся в обтекателях шасси, являвшихся продолжением мотогондол, оснащенные пулеметами УБТ.
В качестве силовой установки были назначены усовершенствованные дизели АЧ-30Б (А. Чаромский к этому времени был освобожден и даже впоследствии получил звание генерал-майор).
В 1944 году в ОКБ Незваля был также разработан и эскизный проект 48-местного пассажирского самолета на базе Пе-8.
Но главным направлением оставалось, безусловно, совершенствование самого бомбардировщика.
Согласно приказу НКАП от 18 октября 1943 года, конструкторами ОКБ под руководством И. Незваля был разработан эскизный проект модернизированного варианта Пе-8. В числе изменений конструкции предусматривалось изменение носовой части с перекомпоновкой кабины, в результате чего летчики располагались не «тандемом», как ранее, а рядом, а сама кабина была вынесена вперед. Увеличенный бомбовый отсек должен был вмещать бомбу ФАБ-5000, 2 бомбы ФАБ-2000 или 6 бомб ФАБ-1000. Был также предпринят ряд мер по улучшению аэродинамики и усилению конструкции.
Силовая установка предполагалась в двух вариантах – дизельный двигатель М-31 (развитие М-30) или АШ-82ФН с турбокомпрессором ТК-3.