В конце октября 1941 г. к боевым действиям на Западном фронте приступила еще одна авиачасть, вооруженная Пе-3 - 54-й Краснознаменный СБАП. Перед войной эта авиачасть базировалась в районе Вильнюса и 22 июня при внезапном ударе потеряла более половины своих СБ на земле. К 14 июля в ожесточенных воздушных боях были уничтожены почти все оставшиеся машины, после чего полк был выведен на переформирование, получил новую технику и прошел переподготовку на Пе-3.
В ходе московской оборонительной и наступательной операций полк под командованием майора Скибо совершил около 400 боевых вылетов, уничтожая противника в районах Клина,
Солнечногорска, Истры и Волоколамска. По боевым донесениям, в этот период 54-й СБАП уничтожил 33 танка, до 780 автомашин, 35 вагонов, 2 склада с боеприпасами, в воздушных боях было сбито 6 самолетов. Собственные потери составили 11 «Петляковых». Один из наиболее примечательных боев произошел 18 января 1942 г., когда четверка Пе-3 атаковала аэродром Вельская. На стоянки немецких самолетов было сброшено 16 авиабомб калибра 100 кг. На отходе от цели группу атаковали Не 113 (по донесениям, но более вероятно - Bf 109F). Огнем штурманов один истребитель был сбит, а второй, не рассчитав маневра, врезался в хвост ведущего Пе-3 капитана Карабутова и потерял крыло. Карабутову удалось привести свою сильно поврежденную машину на аэродром в Туле. Экипаж не пострадал. К числу наибольших успехов «троек» под Москвой относится разгром крупной немецкой автоколонны неподалеку от Клина. Разбомбив на ее пути два моста, Пе-3 отрезали дорогу 500 машинам и в течение всего дня вели их штурмовку. Привлекались Пе-3 также для сопровождения ТБ-3 и Ли-2 при высадке крупного воздушного десанта под Вязьмой и его огневой поддержки.
В конце января 1942 г. аэродром базирования 54-го СБАП Жашково был вскрыт немецкой разведывательной авиацией и в ночь с 1 на 2 февраля атакован почти двадцатью Bf 110C. Утром налет был повторен, а вечером базу бомбили несколько Ju 88. В результате полк потерял 7 машин, из которых 3 сгорели, и остался почти без самолетов. Уцелевшие истребители в середине февраля передали в 511-й ББАП, а личный состав вывели в резерв. В мае 1942 г. экипажи были направлены в 9-й запасной авиаполк, где прошли переподготовку и в дальнейшем летали на Пе-2.
Самолеты 511-го ББАП и 54-го СБАП, в отличие от машин 9-го ББАП и 95-го ИАП, по-видимому, не дорабатывались и не перевооружались пушками. Об этом можно судить по типам израсходованных боеприпасов.
