Первоначально в этих исследованиях практически полностью сохранялись аэродинамические, компоновочные и конструктивные особенности самолета Ил-22 и его основные геометрические размеры, но с установкой новых, более мощных двигателей, усилением оборонительного вооружения соответственно изменялись весовые и летно-технические характеристики рассматриваемых вариантов. Весной 1947 г. был разработан проект реактивного бомбардировщика Ил-24, выполненного по схеме самолета Ил-22, но с двумя турбореактивными двигателями ТКРД-1, созданными в ОКБ А. А. Микулина, которые имели осевой компрессор и взлетную тягу по 3300 даН. Появление летом 1947 г. надежных, доведенных до серийного производства двигателей РД-45 с центробежным компрессором и взлетной тягой по 2270 даН определило применение на самолете Ил-24 четырех таких двигателей. Однако расчетная оценка показала, что самолет Ил-24 обоих вариантов получается очень тяжелым, например, взлетная масса самолета с четырьмя двигателями РД-45 возросла до 28 000 кг, и самолет мог эксплуатироваться только с бетонированных взлетно-посадочных полос, число которых в то время было сравнительно невелико. Нужно было найти новое проектное решение.
В феврале 1944 г. ГКО принимает важное решение об учреждении научно-исследовательского института для развития реактивных двигателей. Создание реактивных боевых самолетов было признано первоочередной задачей советской авиационной промышленности, и к ее решению привлекаются коллективы ряда опытно-конструкторских бюро и научно-исследовательских институтов. В короткие сроки в Советском Союзе были развернуты планерные и целеустремленные работы по теоретическим, экспериментальным и опытно-конструкторским исследованиям различных направлений развития авиационных двигателей. Проектировать и строились жидкостные, прямоточные и пульсирующие реактивные двигатели, создавалась комбинированная (мотокомрессорная) силовая установка. Все эти типы двигателей должны были пройти летные испытания на серийных или специально спроектированных опытных самолетах. Велась также разработка годного к установке на самолет турбореактивного двигателя. Практически все работы по авиационным реактивным силовым установкам, проводившиеся в тот период, базировались на научно-техническом заделе, созданном еще в предвоенные и, частично, в военные годы.
Боевое донесение сообщало, что самолет №4217 под управлением командира корабля капитана Лавровского стартовал в 15.50 20 октября 1941 г. Цель — бомбардировка Орла. В 18.50 самолет вышел на цель и в 18.50 в условиях массивного противодействия ПВО противника с высоты 800 метров сбросил прицельно 8 ФАБ-250 и 16 ФАБ-100 одним заходом на цель в северной части города. При возвращении самолет вошел в сплошную облачность, штурман Галягин на приводную радиостанцию не настроился, в результате ориентировка была потеряна, и на свой аэродром самолет не вышел. Выйдя на Ярославль, принял его за Иваново. При посадке на аэродроме в Ярославле в 21.10 самолет потерпел аварию. Причина — плохой расчет на посадку капитана Лавровского. На пробеге самолет наскочил на препятствие с канавой. Самолет разбит, экипаж невредим. Голованов на этом донесении, отправленном в штаб телеграфом и завизированном майором Иващенко написал: «Произвести расследование. Голованов».
В конструкции Пе-8 отчетливо проявились традиции проектирования самолетов, используемые конструкторским отделом ЦАГИ на протяжении десятилетий. Начиная с ТБ-1 и ТБ-3 в целях упрощения сборки, ремонта и эксплуатации самолеты могли разбираться на отдельные агрегаты. Так, фюзеляж Пе-8 состоял из четырех отдельных частей: Ф-1- носовая часть с кабиной штурмана, пилотов и борттехников до первого лонжерона центроплана; Ф-2 — центральный отсек, выполненный заодно с центропланом; Ф-3 — хвостовая часть фюзеляжа; Ф-4 — хвостовой отсек с кабиной кормового стрелка. Еше одной и весьма значимой причиной членения элементов конструкции являлось требование возможности перевозки самолета в разобранном виде по железной дороге. По своему назначению Пе-8 определялся как высотный скоростной тяжелый бомбардировщик, а также как военно-транспортный самолет. Экипаж состоял из 11 человек, из них 2 пилота, 1 штурман, 2 борттехника, 1 радист, 5 стрелков. Были и другие варианты полбора членов экипажа: например штурман работал в паре со штурманом-бомбардиром, а бортовой техник оставался на борту один.