В 1935 году модернизированный вариант Р-5 был построен и получил название P-Z (Р-зет). Площадь крыльев нового самолета 42,52 квадратных метров (на 8 квадратных метров меньше, чем у Р-5), взлетный вес — 3150 кг. Улучшая общую аэродинамику, конструкторы кабину закрыли фонарем, а турель летнаба экранировали. Благодаря этим и некоторым другим небольшим изменениям, а главное, оснащению его более мощным двигателем (АМ-34Н в 750/820 л. с.) новый разведчик показал скорость у земли 276 км/час, на высоте 3500 м — 316 км/час, его потолок — 8700 м, дальность полета — 1000 км

Самолет P-Z строился крупными сериями. В 1936– 1937 гг. было выпущено 1100 машин этого типа, в том числе 200 — в почтово-транспортном варианте (П-Z) для нужд Гражданского воздушного флота.

На несколько облегченном и более тщательно отделанном самолете P-Z, с обтекателями на колесах и с зализами нижнего крыла летчик В.В.Шевченко в мае 1937 года достиг рекордной высоты для самолетов такого класса — 11 100 м. Самолет P-Z — последний серийный советский разведчик бипланной схемы.

Самолет Р-Z хорошо проявил себя в воздушных боях с японцами на Дальнем Востоке в 1939 г. и во время гражданской войны в Испании на стороне республиканцев. В Испанию было поставлено 62 самолета Р-Z. Самолеты этого типа летали на небольшой высоте плотным строем, а оборонительный огонь пулеметов ШКАС эффективно действовал против вражеских перехватчиков. После сбрасывания до 400 кг (882 фунта) бомбовой нагрузки самолеты возвращались на базу по одному на малой высоте. В конце боевых действий 36 самолетов Р-Z попали в руки националистов. Модель Р-Z была известна в Испании под обозначением «Наташа». Хотя самолет был устаревшим, он оставался на службе в некоторых полках легких бомбардировщиков к моменту нападения на Советский Союз в июне 1941 г. До замены штурмовиками Ил-2 они использовались для непосредственной поддержки войск.