Для установки новых многообещающих моторов завод выделил серийный Пе-2 № 12/224. После выполненных переделок мотогондолы «пешки» заметно изменились внешне. Так, выхлопные патрубки переместились с боковых поверхностей капота на верхнюю, вместо двух симметрично расположенных всасывающих патрубков нагнетателя смонтировали один увеличенный - слева от мотора. Появились также специальные кожухи для продува пространства внутри развала моторов, где монтировались свечи, генератор ГС-1000 и другие агрегаты. Испытания проводил заводской летчик Кондырев. Самолет с более мощными двигателями показал очень неплохие летные данные: максимальную скорость 475 км/ч у земли и 562 км/ч на высоте 6000 м при нормальной полетной массе 8300 кг. Время подъема на высоту 5000 м сократилось по сравнению с серийной машиной на 2,6 мин.

В акте по испытаниям, которые закончились в феврале 1944 г., отмечалось, что данные могут быть еще улучшены. Для этого на самолете следовало реализовать комплекс мер по совершенствованию аэродинамики, предложенный ЦАГИ и осуществленный на Пе-2Б. Однако наркомат авиапромышленности уже связал свои планы с моторами М-107А. Запускать в производство сразу два новых двигателя жидкостного охлаждения было неразумно. Поэтому у Пе-2 с М-1 шансов на серию не осталось.