Petlyakov Pe-3 là một phiên bản máy bay tiêm kích bay đêm tầm xa của mẫu máy bay ném bom tốc độ cao Petlyakov Pe-2 rất thành công trước đó, Pe-3 được trang bị cho Không quân Liên Xô trong Chiến tranh thế giới II.Thiết kế và cách trang bị của Pe-3 theo cách nào đó có thể so sánh với các loại máy bay như Junkers Ju 88 của Đức và De Havilland Mosquito của Anh. Liên Xô nhận ra sự cần thiết phải có một mẫu máy bay tiêm kích bay đêm sau trận ném bom ban đêm đầu tiên tại Moscow trong Chiến dịch Barbarossa. Petlyakov Pe-2 được lựa chọn để sửa đổi như mẫu máy bay sẵn có phù hợp nhất.Ban đầu nó được sử dụng cho các phi vụ cường kích trong Trận Moskva, nhưng điều này lại cho thấy sự tốn kém khi máy bay dễ bị tổn thương do không được bọc thép. Lớp giáp và vũ khí được trang bị thêm cho các máy bay có sẵn để nó hoạt động hiệu quả hơn, nhưng việc dì chuyển nhà máy duy nhất chế tạo Pe-3 vào tháng 10/1941 đã hạn chế số lượng máy bay sẵn có và nhiều đơn vị sử dụng Pe-3 của Không quân Liên Xô đã bị giải thể hoặc chuyển sang dùng loại máy bay khác. Dù việc sản xuất bị dừng lại và tái khởi động lại nhiều lần, Pe-3 vẫn được sử dụng trong suốt Chiến tranh thế giới II. Hầu hết các mẫu sản xuất cuối cùng đều trang bị cho các đơn vị trinh sát.