В 1942 г. моторы М-105, устанавливавшиеся тогда ИР только на Пс-2, но и на истребителях Як-1, Як-7 и ЛаГТ-3. были очень дефицитными. Нередко случались перебои с их поставкой и на завод  22. В связи с этим конструкторы решили смонтировать на пикировщике моторы воздушного охлаждения М-82, не находившие тогда спроса у самолетостроителей (с ними в первой половине 1942 г. выпускали серийно только одну машину — ближний бомбардировщик Су-2). Они ожидали, что большая мощность, развиваемая М-82, будет способствовать улучшению летных данных Пе-2. Предполагалось, что М-82 частично или даже полностью смогут заменить M-105PA на серийных самолетах.

Ведущим конструктором но разработке варианта самолета с новыми двигателями назначили Л.Л.Селякова. Проектные расчеты показали, что характеристики Пе-2 с М-82 будут несколько выше, чем при использовании М-105РА и М-105ПФ. Конструкторы завода N 22 полностью переработали переднюю чисть мотогондол, моторамы, убрали из крыла ненужные теперь водяные радиаторы, на их месте расположили два дополнительных бензобака но 100 л каждый, а в корневых отсеках консолей смонтировали маслорадиаторы. Мощные 14-цилиндровые звездообразные двигатели конструкции А.Д.Швецова обладали большим весом  чем М-105. Центровка самолета значительно сместилась вперед даже несмотря на укладку я хвосте свинцового груза массой 68 кг.

Первый опытный экземпляр самолета с М-82 построили на заводе в г. Казани осенью 1942 г. Для этого переделали один из самолетов 31-й серии (N 19/31), выпущенный заводом N 22 в 1941 г. Кроме замены мотоустановки, на ном убрали носовой ШКАС, бортовой пулемет стрелка-радиста и поставили экспериментальную турель ВУБ-2 с пулеметом БК у штурмана. Помимо этого сняли бомбодержатели в гондолах, смонтировали более совершенный радиополукомпас РПК-10; колеса шасси вынесли на 60 мм вперед за счет удлинения подкосов, что позволило удержан╩ капотажный утл в пределах 26-27 как и у варианта с М-105ПФ. Пустой опытный самолет получился примерно на 600 кг тяжелее серийного.