Пе-8 с моторами АМ-34ФРНВ (1200 л.с.) и агрегатом центрального наддува АЦН-2 (мотор М-100А). Стрелковое вооружение согласно проекту — 2 20-мм пушки ШВАК (в верхней и хвостовой башнях), 2 12,7-мм пулемета БТ (в установках в хвостовых частях ближних к фюзеляжу мотогондол), 2 7,62-мм пулемета ШКАС (в носовой установке). Многие самолеты, выпускаемые с завода (включая и Пе-8 других модификаций) имели в хвостовой установке 2 пулемета ШКАС, а в мотогондолах — по 1 такому пулемету, но в ходе эксплуатации вооружение доводилось до стандарта. Масса бомбовой нагрузки — 4000 кг, максимальная — 5000 кг. Экипаж — 8-12 чел. Построено 5 машин, впоследствии переоборудованных двигателями АМ-35А (с демонтажем АЦН).

Пе-8 с 12-цилиндровыми моторами жидкостного охлаждения АМ-35 или АМ-35А (1350 л.с). В 1940-1942 гг. построено 29 самолетов.

Пе-8 с дизельными двигателями М-40 или М-40Ф (1500 л.с). В 1940-1941 гг. построено 5, из них 4 впоследствии переоборудовано под АМ-35А.

Пе-8 с дизельными двигателями М-30 или АЧ-30Б (1500 л.с). В 1941-1944 г. изготовлено 18 самолетов (из них 2 в пассажирском исполнении). 5 машин впоследствии переоборудовано под АМ-35А.

Пе-8 с 14-цилиндровыми моторами воздушного охлаждения М-82 (1700 л.с). С 3-го экземпляра изменена носовая часть (вместо башни с 2 ШКАСами установлен 12,7-мм пулемет УБТ в «яблочном» шарнире). Максимальная масса бомбовой нагрузки — 6000 кг. В 1942-1944 г. построено 34 самолета.

Поставки серийных бомбардировщиков ТБ-7 в строевую часть — дислоцированный под Киевом 14-й тяжелый бомбардировочный полк (ТБАП) — начались в конце 1940 г. Из 27 самолетов, построенных до начала Великой Отечественной войны, в полку к июню 1941 г. числилось лишь 9 ТБ-7 (5 исправных). В боях первых недель войны они не участвовали. В июле 1941 г. началось формирование 412-го авиаполка особого назначения (АП ОСНАЗ), укомплектованного наиболее опытными пилотами гражданской авиации. Позже часть переименовали в 432-й ДБАП. В ночь на 11 августа 1941 г. состоялся первый боевой вылет — 8 ТБ-7 вылетели для удара по Берлину. Операция оказалась неудачной — было потеряно 5 самолетов, по цели отработали только 3 машины. В дальнейшем в августе-сентябре 1941 г. 432-й ДБАП выполнил несколько налетов на Кенигсберг, а с 7 сентября по 29 октября бомбил коммуникации и железнодорожные узлы на оккупированной противником территории (Оршу, Псков, Новгород, Смоленск и др.).

В 1942 г. полк Пе-8, переименованный к тому времени в 746-й АП ДД (авиаполк дальнего действия), продолжал обычную боевую работу. В течение января-апреля систематически выполнялись ночные налеты на Смоленск, Витебск, Оршу, Полоцк. Изредка работали по более удаленным целям — например, Вильнюсу. Интенсивность боевых вылетов была небольшой, поскольку постоянно возникали проблемы с поддержанием самолетов в боевой готовности. Например, на 18 марта 1942 г. полк располагал 11 Пе-8, но только 3 были исправными. В течение июня 1942 г. полк выполнил 50 самолето-вылетов (все ночью) для ударов по аэродромам Брянск, Харьков, Белгород, Смоленск, Сеща, Боровское, Курск. Бомбометание производилось с больших высот (4500-6000 м). Помимо боеприпасов меньшего калибра, в нескольких случаях применялись 1000-кг и 2000-кг фугасные авиабомбы.

Весной-летом 1942 г. был сформирован второй полк Пе-8 — 890-й АП ДД. Оба полка свели в 45-ю авиадивизию, располагавшую на 1 января 1943 г. 16 самолетами (13 боевых, 2 тренировочных, 1 в опытной эксплуатации). В феврале начались поставки самолетов с новыми моторами М-82, но на количественном состоянии парка это не отразилось — на 1 июля 1943 г. 45-я дивизия располагала 18 Пе-8 (11 исправных).

о второй половины 1943 г. и вплоть до середины 1944 г. Пе-8 применялись для ударов по железнодорожным узлам, аэродромам и скоплениям войск противника. С середины лета 1943 г. Пе-8 участвовали в уничтожении позиций немецкой тяжелой артиллерии под Ленинградом (выполнено 36 самолето-вылетов, сброшено 130 т бомб). В начале января 1944 г. 45-я дивизия располагала 20 Пе-8. Дважды, в ночь на 7 февраля и на 27 февраля 1944 г. осуществлялись вылеты всей дивизией на Хельсинки.

Во второй половине 1944 г. боевое применение Пе-8 стало ограниченным по причине износа планеров самолетов. Всего с 1941 по 1944 гг. Пе-8 выполнили 1509 боевых вылетов, сбросив 5371 т бомб. По состоянию на 10 мая 1945 г. имелось 32 Пе-8 (18 исправных). В послевоенное время служба самолетов в ВВС была недолгой — их сняли с вооружения в начале 1946 г. Ряд машин участвовал в различных испытательных программах — так, в 1944-1945 гг. 6 самолетов применялись для испытательных пусков крылатых ракет 10Х. Несколько Пе-8, прошедших ремонт и переоборудование, до середины 50-х гг. эксплуатировались Полярной авиацией.

Самолет Пе-8 принадлежал к новому поколению четырехмоторных бомбардировщиков, появившихся на рубеже 30-40-х гг. Его характеристики были вполне на уровне американских и английских аналогов, но в отличие от Боинга B-17 «Летающая крепость», Консолидейтед B-24 «Освободитель», Авро «Ланкастера» или «Галифакса», Пе-8 строился в очень незначительном количестве. Его боевое применение не носило массированного характера — в течение войны количество боеготовых Пе-8 не превышало двух десятков.

​