12 мая 1945 года, после пробного зажигания и огневого пуска на земле, самолет был выпущен в полет. На высоте 7100 м при скорости 340 км/ч Сергей Королёв попытался запустить «РУ-1». Нормально загорелись сигнальные лампочки «работа» и «зажигание», но включения двигателя не последовало, запуск затянулся, и через семь секунд произошел взрыв в камере сгорания. Возник пожар в хвостовом отсеке самолета. Взрывная волна и горячие газы проникли в кабину, где сидел конструктор. Экипажу самолета удалось прекратить пожар и благополучно посадить самолет на заводской аэродром. В результате аварии хвостовое оперение самолета было серьезно повреждено, а большая часть реактивной установки уничтожена. Королёв получил ожог слизистой оболочки глаз, и врачи опасались за его зрение. Однако все обошлось благополучно.
Всего на «Пе-2» было совершено 110 полетов, в том числе 29 – с включенной «РУ-1». По итогам испытаний был составлен подробный отчет, который вместе с альбомом фотографий направили на утверждение наркому авиационной промышленности Алексею Ивановичу Шахурину. К посылке прилагалась просьба разрешить участие экспериментального самолета в московском авиационном параде 18 августа 1945 года. Для демонстрации полетов предлагалась специальная окраска планера – серебристый цвет с красной стрелой вдоль фюзеляжа. Подготовка, взлет и посадка самолета должна была состояться на аэродроме в Раменском. Инициаторы акции разработали и соответствующую программу участия в параде: полет идет вдоль трибун на высоте 100 м и на расстоянии 200 м от линии зрителей; включение реактивного двигателя за 5 км до начала трибун; после прохождения по прямой переход на набор высоты с работающей «РУ-1». Намеченный летный состав: летчик-испытатель подполковник Александр Силуянович Пальчиков, ведущий инженер завода № 22 Леонид Дмитриевич Баклунов и инженер-испытатель ОКБ завода № 16 Сергей Павлович Королёв. Предложение оценили положительно – вскоре поступила правительственная телеграмма такого содержания: «Дементьева Жирицкому Немедленно вышлите два двигателя Лавочкину по одному Яковлеву Сухому Командируйте срочно Москву Жирицкого вместе Пе-2 Королева».
Сергею Королёву была оформлена командировка с 11 августа по 10 сентября, и он выехал в столицу. Однако демонстрационный полет не состоялся. В архиве Королёва случайно сохранилась записка, написанная, видимо, ответственным работником Наркомата: «Парад отменен, прошу помочь Гл. конструктору возвр. в Казань любым местом». Сегодня можно только догадываться о причине такого поворота событий. Вероятно, появились опасения в отношении надежности самолета: он эксплуатировался в аэродромных условиях в течение двух лет, и его материальная часть значительно износилась.
