Прообраз Пе-8 — АНТ-42 — впервые поднялся в воздух 27 декабря 1936 г. и доводился два года. Изготовление опытной серии началось лишь во второй половине 1938 г.

Изначально предполагалось, что самолёт являлся скоростным высотным тяжёлым бомбардировщиком дальнего действия. В конце 1934 года, после нескольких уточнений, были определены требования к самолёту. Скорость машины должна была составлять 400 км/ч, дальность полёта — 1200-3800 км, грузоподъёмность — 2 т, практический потолок — 12000 м.

В1938 состоялся первый полёт АНТ-42 дублер, конструкция которого была значительно переработана. В заключении по лётным испытаниям обеих машин отмечалось, что во время полёта на высоте 10000—11000 м самолёт мало уязвим для истребителей противника. Даже будучи полностью загружен горючим и бомбами, самолёт быстро набирал максимальную высоту полёта, легко выполнял виражи с креном до 50° в условиях, когда другие самолёты (в том числе истребители) могли с трудом удерживаться на курсе, без выполнения какого-либо манёвра, даже на минимальной скорости. Высокая маневренность машины на высотах до 10000 м обеспечивала прицельное бомбометание и малую уязвимость для огня зенитной артиллерии. По результатам испытаний, НИИ ВВС принял решение немедленно начать массовый серийный выпуск АНТ-42 под обозначением ТБ-7.

Производство двух первых опытных самолётов велось в Москве на заводе № 156 (ЗОК), для серийного производства был определён «

«Завод № 124 имени Серго Орджоникидзе» в Казани

Несмотря на положительное решение комиссии по итогам испытания самолёта, действительно массовое его производство так и не было организовано. Во многом это было связано с тем, что во время создания ТБ-7 в ВВС СССР не было полной ясности в вопросе, насколько необходим армии тяжёлый стратегический бомбардировщик.

Это был первый отказ от серийного производства.

Я был очень удивлён, когда появились опусы Резуна- Суворова где он недоумевал, почему это т. Сталин 4 раза подписывал приказ о пуске в серию Пе-8 и 4 раза отказывался от этого. Когда, я поймал на этом Резуна-Суворова, то дальнейшее мне уже стало читать неинтересно, потому что воняло.

К моменту формирования технического задания на проектирование ТБ-7, военная доктрина маршала Тухачевского предполагала Англию в качестве основного вероятного противника СССР. В конце 1930-х гг. руководство СССР и ВВС, пришли к выводу, что в предстоящей войне с Германией авиация дальнего действия не нужна. Эта концепция была отражена на совещании авиационных работников в начале 1939 года. Так, вполне обоснованно была «упущена» возможность развёртывания крупносерийного производства самолётов ТБ-7. Вместо них было начато производство фронтовых пикирующих бомбардировщиков Пе-2 и средних дальних бомбардировщиков Ил-4. Принятие решения о развёртывании крупносерийного производства самолётов ТБ-7 накануне войны, неизбежно повлекло бы за собой омертвление огромных капиталовложений, в ущерб производству новых самолётов, крайне необходимых для фронтовой авиации ВВС РККА. Накануне войны советская авиапомышленность в технологическом отношении, не была готова к крупносерийному производству тяжёлых самолётов, в связи с тем, что ею не был освоен плазово-шаблонный метод поизводства самолётных конструкций, предполагающий широкое применение в авиационных конструкциях алюминиевых сплавов.

Двигатели АМ-35 шли на МиГ-3, Ил-2 от программы которых тогда пришлось бы отказаться.  Кроме того, обшивка на Пе-8 должна была быть из алюминия, которого не хватало. Поэтому вынуждены были отказаться от Пе-8. Считалось, что истребители и штурмовики нужнее. Так отказались второй раз.

Примерно в этот момент вместо АМ-35 решили ставить дизельными двигателями, которые показали низкую надёжность, и впоследствии от них отказались. По сути ставили пятый двигатель, (АЦН-2) Этот двигатель был очень ненадёжным . Он не подавал надёжно воздух для дизельных двигателей. Пе-8 выше 8000-9000 м уже не поднимался и был доступен средствам ПВО.

 И это был третий отказ.

Ил-2 был самой эффективной воздушной боевой машиной второй мировой войны. МиГ-3 сыграл важную роль и Битве за Москву. Кроме того, задачи Пе-8 в какой-то мере выполняли бомбардировщики Пл-4, Ер-2 и ленд-лизовские Б-25.

Здесь и был четвёртый отказ от Пе-8.

8 августа командир авиадивизии Герой Советского Союза комбриг Водопьянов М. В. получил приказ лично от Сталина:

«Т-щу Водопьянову

Обязать 81-ю авиадивизию во главе с командиром дивизии т. Водопьяновым с 9.08 на 10.08 или в один из следующих дней, в зависимости от условий погоды, произвести налёт на Берлин. При налёте кроме фугасных бомб обязательно сбросить на Берлин также зажигательные бомбы малого и большого калибра. В случае если моторы начнут сдавать по пути на Берлин, иметь в качестве запасной цели для бомбёжки г. Кёнигсберг.
И. Сталин
8.08.41»

Проведенные расчёты показали что ТБ-7 с дизелями М-40Ф с бомбовой нагрузкой 4000 кг (из них 2000 кг на внешней подвеске) могли совершить полёт до Берлина и вернуться обратно. Для выполнения полётов были отобраны 12 ТБ-7 и 28 Ер-2, которые 10 августа перелетели на аэродром. Здесь, после более тщательного отбора оставили 10 ТБ-7 и 16 Ер-2. Вечером того же дня самолёты поднялись в воздух с курсом на Берлин.

Первый удар по Берлину на самолётах Пе-8 был нанесён 10 августа 1941 года,

Вылетали из г. Пушкин.(20км от Ленинграда)

Знаменитая бомбардировка Берлина в августе 1941 года принесла катастрофические потери. Из 10 ушедших на Берлин машин вышли на цель и отбомбились только шесть. В Пушкин вернулось только две машины. После этого вылета Водопьянов был снят с должности командира дивизии, а на его место был назначен полковник Голованов А. Е.

В ВВС к весне 1942 года образован всего один 746 БАП ДД на Пе-8, в составе 45-й авиадивизии, с постоянной дислокацией на аэродроме Кратово. Штатная численность полка составляла 15 машин, из числа которых вылетали на задание обычно 5-8 самолётов. Максимальное количество Пе-8 бомбило Хельсинки 6 февраля 1944 года — 24 самолёта. Практически все вылеты «на войну» выполнялись только в ночное время. Задания на вылет Пе-8 поступали непосредственно из Ставки Верховного главнокомандования.

В том же 1942 году на ТБ-7 была выполнена миссия по доставки В.М.Молотова в Англию и США, полет проходил на больших высотах, частично над территориями контролируемыми Германией.

 

Испытали ФАБ-5000, пяти тонную бомбу, которых не было ни у кого! Сбросили  в Могилёве в апреле 1943 года. Удачно!

А 29 апреля1943 года на Кёнигсберг была впервые сброшена 5000-килограммовая бомба ФАБ-5000НГ (Пе-8 был первым самолётом союзников поднявшим 5000 кг бомбу).

К середине 1943 года АДД Красной армии потеряла более 27 самолётов Пе-8, из них 14 было уничтожено на аэродромах в первый день войны (в частности, на аэродроме Борисполь под Киевом было уничтожено 5 самолётов Пе-8).

До 1943 года Пе-8 строились с моторами водяного охлаждения АМ-35А и дизельными двигателями, которые показали низкую надёжность, и впоследствии от них отказались. Летом 1943 года в дивизию стали поступать самолёты с моторами М-82 (с турбонагнетателями), которые пришлось срочно дорабатывать — выхлопные патрубки раскалялись докрасна и самолёт становился лёгкой добычей ночных истребителей.

А в ночь на 4 июня 1943 экипаж 890 полка под командованием Шамрая сбросила ФАБ-5000 на ж/д узел в Орле. Потом 3 июля 1943 с Пе-8 (ТБ-7) сбросили две ФАБ-5000 по железнодорожному узлу в Орле. Рапортовали, что взрыв сопровождался пламенем и дымом, похожими на взрыв бензиновых емкостей.
Hа фашистов пятитонка наводила ужас. Она оказала незаменимую помощь наземным войскам во многих сражениях, в частности в битве под Курском. Ее применяли при штурме крепостей, береговых укреплений, для уничтожения заводов и аэродромов. Однажды наша разведка доставила конструкторам снимок, сделанный после попадания сверхбомбы в скопление фашистских тяжелых танков. "Тигры" и "пантеры" перевернуло и расшвыряло, словно детские игрушки.  
Кстати, 5 тонные бомбы, встали на вооружение сначала у нас, и лишь через год стали использоваться Великобританией.
Такие события предшествовали началу Курской Дуги .

Пе-8 применялись в стратегических бомбардировках для принуждения Финляндии к выходу из войны в 1944 г.

В этом же году произошёл забавный случай. Пе-8 с М-82 возвращаясь с задания, попал под  зенитный огонь, самолёт загорелся, экипаж выбросился с парашютами. Самолёт снизился, огонь сбился и самолёт сам сел на поле, без значимых повреждений

В 1945 году Пе-8 уже не соответствовал требованиям предъявляемым к самолётам аналогичного назначения не только по функциональному назначению, но и по технологичности производства. Даже с форсированными двигателями АШ-82ФН, он значительно уступал крупносерийным американским самолётам В-17 поздних модификаций, и тем более В-29.

По случаю намечавшегося воздушного парада в честь победы над Германией из Оршы на аэродром Быково перелетело 12 машин из состава 203-го Гвардейского полка (бывшего 25-го). Воздушная часть парада по метеорологическим условиям не состоялась, самолеты до сентября оставались в Быково, а затем начали перелетать на место постоянного базирования в Оршу. 12 сентября лидирующий Пе-8 No.42811 (командир корабля Ищенко) должен был повести всю группу домой. У самолета долго не запускался один из двигателей М-82 Вскоре двигатель начал работать нормально, и машина пошла на взлет. Ищенко поднял свой Пе-8 на высоту 400 м и выполнил круг над аэродромом и после четвертого разворота, проходя над летным полем, "прижал" машину к полосе и затем сделал прощальную "горку". "Горка" и впрямь оказалась прощальной. При наборе высоты у самолета сложилась правая полуплоскость, и машина рухнула на землю, похоронив под своими обломками 14 человек. Машина была доработанная по лонжеронам, и все равно произошла трагедия.

Опять все Пе-8 45-й дивизии начали исследовать, и оказалось, что большинству из них грозит судьба Пе-8 No.42811. К началу 1946 года из числившихся за 45-й дивизией 30 Пе-8 19 не могли быть допущены к полетам.

Военная карьера Пе-8 закончилась, вскоре их в полках начали сменять Ту-4. А большую часть "старичков" Пе-8 списали и утилизировали. После войны несколько сохранившихся машин использовались в Полярной авиации и как летающие лаборатории для отработки новых двигателей и перспективных авиационных и ракетных систем.С самолётов было снято вооружение, установлены двигатели АШ-82, на одном АШ-73 и они до 50-х обеспечивали работу арктических станций Северный Полюс-3 и  Северный Полюс-4.

Всего было построено по разным источникам от 86 до 93 самолётов.