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. При подготовке проекта использования Пе-8 в качестве военно-транспортного самолета предполагалось брать на борт до 50 десантников и доставлять их на расстояние 2000 км. Однако о проведении такого переоборудовании сведения отсутствуют. Одновременно, в связи с требованием транспортировки десанта часть самолетов строились с двумя входными дверями — по правому и левому борту. В таком виде самолет без проведения серьезных внутренних усовершенствований вмешал внутри фюзеляжа до 30 вооруженных бойцов. Называлась и другая цифра — 42 человека — также на практике не опробованная. Кроме этого, специально для Пе-8 спроектировали и построили подвешиваемую кабину под фюзеляжем для перевозки 12 человек, с возможностью десантироваться из нее в воздухе. Известно, что подвесные кабины для десантников устанавливались ранее на ТБ-1, ТБ-3 и ДБ-3. Поэтому, внедрение подобного изделия на Пе-8 вовсе не являлось чем-то из ряда вон выходящим. Подвесная кабина крепилась на месте бомбового отсека, открываемые створки которого при этом снимались. Испытания первого варианта кабины начали еще на первом опытном самолете АНТ-42. Летом 1941 г. доработанный вариант смонтировали на серийном бомбардировщике ТБ-7 № 42015. По результатам проведенных государственных испытаний подвесная кабина признавалась соответствующей своему назначению. О ее практическом использовании сведения не обнаружены. Носовая часть фюзеляжа Ф-1 впереди оборудована экранированной вращающейся башней с пулеметной турелью. Войти в стрелковую башню можно было из штурманской кабины через специальную дверь, выполненную в виде раздвигающихся створок. Сиденье штурмана в походном положении размешено у левого борта. Для боевого положения оборудовано специальное откидное сидение, оно почти по центру, напротив места установки бомбового прицела. В средней части кабины штурмана имеется открываемый внутрь аварийный люк. Люк одновременно использовался и для входа в самолет. В верхней части кабины штурмана устроен открываемый застекленный астролюк. Кабина штурмана заканчивается шпангоутом № 5, который представляет собой глухую силовую конструкцию с центральным проходом. За этим шпангоутом начинается отсек, в верхней левой части которого находится кабина пилотов. Кресла пилотов расположены друг за другом на специальном полу. Фонарь пилотов для улучшения обзора сдвинут влево. Ниже пилотов, по правому борту, находится кабина, пульт управления двигателями и кресла бортмехаников, установленные друг за другом. Слева от 1-го бортмеханика и чуть ниже, то есть практически под первым пилотом, находится рабочее место радиста. За сидениями бортмехаников, в районе сочленения фюзеляжа с крылом, в передней кромке центроплана, на борту имеется дверь, через которую можно попасть внутрь крыла. За кабиной экипажа, над бомбовым отсеком, начинается центральный отсек, в котором можно было перевозить грузы или десант. В самолетах, снабженных агрегатом центрального наддува (АЦН), в этом месте устанавливался двигатель М-100. Центральный отсек имеет единую высоту пола со следующей частью фюзеляжа — Ф-3. Покрытие пола выполнено из гофрированного листа. В верхней части Ф-3 смонтирована оборонительная пушечная турель ТАТ с 20-мм пушкой ШВАК. На полу центрального отсека для воздушного стрелка ТАТ установлен специальный помост. В этом же районе Ф-3, в бортах фюзеляжа устроены люки .Оля прохода через центроплан к стрелковым установкам в обтекателях шасси. Далее, в сторону хвоста, крепились баллоны с кислородом и аэрофотоаппарат АФА-5. В конце отсека находился туалет с унитазом и вынимаемым ведром. В районе 5-го шпангоута Ф-3 обитаемый отсек заканчивается дверью, через которую можно проникнуть в хвостовую часть фюзеляжа. Последний агрегат фюзеляжа Ф-4 служил для размещения кормовой оборонительной установки. В сечении крыла Пе-8 использован аэродинамический профиль типа NACA, называемый в некоторых документах профилем ЦАГИ-40. Связано подобное двойное название с историей самолета СБ. Первый опытный СБ, называемый АНТ-40, имел крыльевой профиль, разработанный в ЦАГИ. При последующем сравнении его с профилем NACA-230 оказалось, что американский профиль имеет более высокие аэродинамические характеристики. Поэтому в дальнейшем этот профиль под обозначением АНТ-40 использовали как в С Б, так и в самолете Пе-8. Силовой набор крыла в основном выполнен из стали ЗОХГСА, с повсеместным использованием ферменных конструктивных элементов. Обшивка крыла выкроена вдоль размаха продольными листами из супердюраля марки Д4 и Д5 толщиной от 0,5 мм до 1,2 мм. Потайная клепка поначалу только в носке крыла, с развитием серийного производства потайная клепка вводились и на других участках крыла. Люки для выемки бензобаков устроены на верхней поверхности крыла, в нижней поверхности центроплана — один люк для выемки маслобака, в крыле снизу — по одному люку для бензинового и масляного баков. В верхней точке крайнего крыльевого бензобака на верхней поверхности крыла имеется обтекатель в виде небольшой стойки — выход дренажной системы. Элероны состоят из трех частей, обтянуты полотном (первый опытный экземпляр АНТ-42 отличался элеронами и рулями хвостового оперения, покрытыми гофрированными дюралевыми листами). Посадочные щитки типа «Фрайз», установлены на центроплане и на внутренней части крыла. Хвостовое оперение свободнонесушее. рули имеют аэродинамическую компенсацию по всему размаху. Такое решение привело к значительной длине узлов подвески, которые выполнены в виде размашистых ухватов, заметно выступающих в воздушный поток. Основное шасси расположено в плоскости центральных моторных установок. Уборка шасси осуществлялась при помощи гидроцилиндра, колеса размером 1600x500 мм (позднее 1660x585 мм) при этом убираются не полностью и частично выступают из моторных гондол. При отказе основной электрогидравлической системы шасси выпускались вручную посредством тросовой лебедки. штурвал управления лебедкой находился сразу за вторым пилотом, в плоскости первого лонжерона. Хвостовое колесо размером 700x300 мм (770x330 мм) неубираемое, ориентирующееся. Первый серийный самолет казанского авиазавода зимой 1939—1940 г. для проведения испытаний установили на лыжное шасси. В первом полете гидроамортизатор одной из основных лыж не выдержал нагрузки и разрушился. Для того, чтобы не задерживать испытания, решили летать с колес и, как оказалось, правильно. Огромные, диаметром 1600 мм, колеса бомбовоза вполне позволяли рулить, взлетать и садиться даже в глубокий снег. Эти неожиданные опыты привели к тому, что при эксплуатации Пе-8 в зимнее время от лыжного шасси отказались вовсе. Силовая установка самолетов выпуска 1940—1942 гг. состояла из 4-х двигателей АМ-35А. 12-тицилиндровые АМ-35А максимальной мощностью 1350 л.с. и номинальной мощностью 1200 л.с. на высоте 6000 м, оснащались воздушными винтами изменяемого шага ВИШ-24 диаметром 4,1 м. Втулка воздушного винта прикрывалась коком-обтекателем особой конструкции. Кок оборудовался внутренним вентилятором, который отсасывал теплый воздух из околомоторного пространства и направлял его к втулке винта для обогрева. Для выхода воздуха в коке имелось три отверстия, хорошо заметные на некоторых фотографиях. Запуск двигателей на земле происходил от наземных баллонов, зарядный штуцер находился на правом борту фюзеляжа перед входной дверью. Капоты двигателей для облегчения обслуживания имели легкосъемные крышки и откидывающиеся трапы (мостики), на которые могли становиться техники. Водяные радиаторы охлаждения типа ОП-379 устанавливались в тоннелях под центропланными двигателями. Водо-масляные радиаторы типа ОП-361 для центральных моторов монтировались на ферме шасси, для крайних моторов — на моторных станинах. На самолетах первых выпусков водомасляные радиаторы имели индивидуальные воздухозаборники. Питание двигателей топливом осуществлялось из 19-ти протектированных баков, в которые для повышения пожаробезопасности в случае боевых повреждений закачивался нейтральный газ. Основные крыльевые баки на случай вынужденной посадки были снабжены устройством для аварийного слива топлива. Бомбардировочное вооружение самолета состояло из десяти держателей, расположенных в бомбоотсеке и под центропланом. Общий максимальный вес подвешиваемых бомб — 4 тонны (впоследствии до 5 тонн). На внутренней подвеске варианты загрузки были следующими: одна ФАБ-2000, или две ФАБ-1000, или четыре ФАБ-500, или восемь ФАБ-250, или 24 ФАБ-100. На наружных держателях можно было подвесить две ФАБ-1000, или две ФАБ-500, или 4 ФАБ-250, или 16 ФАБ-100. Кроме этого, под центропланом можно было подвесить выливные приборы ВАП-1000, контейнеры РРАБ с мелкими бомбами или установить ракетные снаряды PC-132. Подвеска авиабомб производилась при помощи лебедки БЛ-4, установленной на правом борту центрального отсека. Управление сбрасыванием бомб — в кабине штурмана. Там находились бомбардировочные прицелы ОПБ-2МУ и НКПБ-3 (в первоначальном варианте), электрический сбрасыватель ЭСБР-5, распределительный шиток электроуправления, механический сбрасыватель АС-5. Для закрытия створок бомболюка была предусмотрена электромеханическая лебедка. Кроме основного отсека для бомб, с правой стороны носовой части фюзеляжа под кабиной борттехника был оборудован малый бомбоотсек для осветительных авиабомб САБ-25. Оборонительное вооружение самолета еще в период проектирования предполагалось сделать очень мощным. Опытная машина имела пушки ШВАК в носу и корме, еще две пушки устанавливались в шассийных установках. Пулеметные турели со ШКАС имелись сверху (ТУР-10) и снизу (выпускаемая). Кроме этого, предполагался крейсерский вариант, где для обороны добавлялось еще две стрелковые точки. Таким образом, первый опытный самолет имел восемь оборонительных точек. Чуть позже были разработаны пушечные установки: носовая НЭБ-42 и кормовая КЭБ-42. Однако при постройке серии количество оборонительных точек уменьшилось до пяти, пушка осталась только одна — в верхней установке (тяжелая авиационная турель — ТАТ). В носовой части разместили сферическую башню со спаркой пулеметов ШКАС и запасом патронов 750 штук. Вращение башни осуществлялось от электромотора МТС-20 через редуктор и шестерню со стопорным механизмом. Углы поворота башни позволяли обстреливать всю переднюю полусферу. Конструкция прозрачного экрана носовой турели на самолетах разного периода выпуска отличалась. Кормовая башня 2Т-215 была оснащена пулеметом ШКАС и имела несколько упрощенную конструкцию по сравнению с носовой установкой. Шассийные установки MB-10 производства авиазавода №32 были оборудованы пулеметами ШКАС. После начала войны с момента формирования 81-й авиадивизии оборонительное вооружение самолетов решили усилить. Тогда же были установлены бронеспинки пилотов и броневые щиты у шассийных стрелков. В установках MB-10 пулеметы ШКАС заменили крупнокалиберными пулеметами БТ (УБ). Кормовые башни с пулеметами ШКАС заменили установками ТАТ и КЭБ-42 (по наличию). В ходе дальнейшего серийного производства в корме Пе-8 устанавливались модифицированные КЭБ-42 с пушкой ШВАК. С 1943 г. в носовой части самолета монтировали установки под пулемет БТ.