Два пулемета ШКАС и УБ с боезапасом 1500 и 700 патронов соответственно размещались на верхней установке ДУС-1 с дистанционным гидравлическим управлением, разработанной под руководством В.И. Ермилова. Установка позволяла вести обстрел в горизонтальной плоскости, охватывая сектора с суммарным углом до 200 градусов и вверх до 80 градусов, а вниз до 20 градусов. В ходе государственных испытаний на носовой установке НУК-1 пулемет ШКАС заменили пушкой ШВАК калибра 20 мм. На установке ГУК-1 пулемет ШКАС заменили БС. Наступательное вооружение включало авиабомбы калибра от 50 до 2000 кг. Бомбометание осуществлялось с помощью прицелов ОПБ-1МА и НКПБ-3.

Самолет представлял собой свободнонесущий цельнометаллический среднеплан классической схемы.

Двухлонжеронное крыло, установленное под углом 2 градуса к оси фюзеляжа, набиралось из профилей NACA-230 от носка до первого лонжерона и дальше из профилей B-BS. Тормозные щитки сняли, а посадочные, типа Шренка, на серийных Пе-2И заменили щитками-закрылками типа ЦАГИ, позволявшими снизить не только посадочную, но и взлетную скорость. Крыло технологически делилось на центроплан с нулевым поперечным «V» и две консоли с поперечным V=7 градусов. Уменьшили площадь элеронов по сравнению с серийными Пе-2, но увеличили площадь их аэродинамической компенсации. Обшивка элеронов – полотняная.

Оперение – двухкилевое, цельнометаллическое с полотняной обшивкой рулей.

Фюзеляж – типа монокок с двухместной кабиной летчика и штурмана. Бронирование кабины летчика состояло из 10-мм спинки сиденья и 8-мм бронезаголовника, а штурмана – из 10-мм вертикальной плиты сзади. Общий вес брони – 85 кг. В аварийной ситуации предусмотрено покидание экипажем самолета через сбрасываемую среднюю часть фонаря кабины.

Шасси – двухстоечное с костыльным колесом. Основные одноколесные опоры убирались в мотогондолы, а хвостовое колесо – в фюзеляж.

Силовая установка состояла из двух V-образных двигателей водяного охлаждения ВК-107А с двухскоростным нагнетателем и регулятором постоянных оборотов (3200 об/мин.) Р-7, а также винтов изменяемого шага диаметром 3,6 м. Питание моторов осуществлялось из четырех фибровых бензобаков объемом 2580 литров. Все баки были протектированы и находились под избыточным давлением нейтрального газа от выхлопа моторов. Масло размещалось в двух баках общей емкостью 115 литров.

В состав оборудования входили радиополукомпас РПКО-10, радиостанция РСБ-3бис, переговорное устройство СПУ-2Ф, кислородные приборы и аэрофотоаппараты АФА-ИМ на первой и АФА-3 на второй машине.

Оборонительное вооружение состояло из носового неподвижного пулемета УБК калибра 12,7 мм с боезапасом 200 патронов. На второй машине предусматривалась установка 20 мм пушки УБ-20. Для защиты задней полусферы имелся пулемет УБК с боекомплектом 100 патронов на дистанционной установке ДЭУ и прицел ОПКС.

Бомбардировочное вооружение включало авиабомбы калибра до 1000 кг на внутренней подвеске. На второй машине допускалась подвеска под крылом бомб калибра 250 и 500 кг. Бомбометание с горизонтального полета осуществлял штурман с помощью оптического прицела ОПБ-1р, а с пикирования – летчик с помощью прицела ПБП-1. Этот же прицел использовался для стрельбы из носового пулемета.