Недостатки вскрылись и в схеме бортового вооружения – стрелковые установки имели непростреливаемые «мертвые зоны», чем пользовались истребители противника. Малоэффективной оказалась носовая установка, из которой должен был вести огонь штурман. Кроме того, верхнюю турель и нижнюю люковую установку обслуживал один член экипажа, что также не лучшим образом влияло на эффективность отражения атак истребителей.

Оснащенные моторами М-86 и М-87 самолеты ДБ-3 дорабатывались в течение длительного времени, в том числе после прекращения их серийного выпуска. Однако было очевидно, что для соответствия все возрастающим требованиям необходимы более кардинальные изменения.

Одной из таких попыток стало создание нового самолета, осуществленное параллельно с модернизацией ДБ-3. По сравнению с ДБ-3 самолет ЦКБ-56, или ДБ-4, имел большие габариты и размах крыла, хвостовое оперение было выполнено двухкилевым. Техническое задание предполагало создание самолета, имеющего дальность действия до 4000 км с бомбовым грузом 1000 тонн, с максимальной скоростью до 550 км/ч. Максимальная бомбовая нагрузка ДБ-4 должна была достигать 4 тонн.

ДБ-4 задумывался изначально с расчетом на установку перспективных двигателей М-120 с расчетной взлетной мощностью 1850 л.с., однако создание этих двигателей затягивалось, и на практике самолет получил менее мощные АМ-37. Первый полет самолет совершил только 15 октября 1940 года, при этом выявился ряд недостатков, в том числе недостаточная путевая устойчивость, тряска в полете и недостаточная жесткость фюзеляжа на кручение. Длительной доводкой самолета заниматься не стали – к этому времени успешно прошел испытания бомбардировщик ДБ-240 (Ер-2), а для КБ Ильюшина посчитали более актуальным работу над иными самолетами, которые в итоге и стали основной силой бомбардировочной и штурмовой авиации РККА в годы войны.

В 1938 году была начата работа по коренной модернизации ДБ-3. Новая модификация получила обозначение ДБ-3Ф. Внешне обновление выразилось в изменении носовой части планера, которая вместо прежней закругленной приобрела удлинённую заостренную форму с большой площадью остекления. Другим принципиальным новшеством стала установка двигателя М-88 взлетной мощностью 1100 л.с.

Гораздо более кардинальными были изменения в конструкции самолета. С целью упрощения технологического процесса трубчатые лонжероны заменили на двутавровые, предельно сократили число сварных узлов, внедрили открытую двустороннюю клепку, в результате чего не только трудоемкость производства снизилась вдвое, но и в значительной степени исключался брак по причине низкой квалификации рабочих.

Внедрение самолета в серию проходило трудно. Потребовалась значительная перестройка производства, сам самолет все еще имел значительное число недоработок, что было отмечено в приказе НКАП от 8 мая 1940 года: «…Передав в серийное производство не оконченную доводками машину, главный конструктор тов. Ильюшин растянул доработку машины на очень длительный срок, и даже в настоящее время нет уверенности в полной ее доработке, так как у руководства завода № 39 и главного конструктора тов. Ильюшина до сих пор нет продуманного, четкого плана по доводке самолета ДБ-ЗФ…»

Помимо конструктивных недоработок, самолеты первых партий выпускались заводами с огромным процентом брака. Дополнительные проблемы возникли и с двигателями – М-88 оказался откровенно «сырым» и ненадежным, ресурс двигателя не достигал 100 часов, многочисленные случаи отказов двигателя привели к ряду аварий, в результате чего 6 августа 1940 года постановлением Комитета Обороны № 340cc выпуск М-88 был прекращен. Впрочем, уже постановлением КО СНК № 422сс от 3 ноября этого же года предписывалось «в связи с окончанием работ по устранению дефектов мотора М-88 и получением удовлетворительных результатов в процессе испытаний… разрешить НКАП возобновить серийный выпуск моторов М-88».

Доработка и усовершенствование самолета продолжались и впоследствии. Правда, некоторые из них носили вынужденный характер – так, в первый период войны в связи с образовавшимся дефицитом алюминия была увеличена доля дерева в конструкции самолета, в частности деревянной выполнялась носовая часть с кабиной штурмана. Само собой, это не улучшало летные данные. Вернуться к использованию металла удалось уже после того, как поставки алюминия по ленд-лизу позволили в более полной мере удовлетворить потребности промышленности в «крылатом металле».

Летом 1941 года в парке ВВС РККА и ВМФ числилось более 1200 ДБ-3 и 987 ДБ-3Ф, в том числе более 1200 самолетов в составе полков дальнего действия на западном направлении, которые в первые же дни войны приняли участие в боевых действиях. При этом во многих случаях дальние бомбардировщики привлекались к выполнению несвойственных им задач, выполняя функции фронтовой авиации – в частности, нанося удары в дневное время с малых высот по танковым колоннам вермахта. При этом вылеты, как правило, осуществлялись без истребительного прикрытия, к тому же, согласно директиве Ставки Верховного главнокомандующего от 4.07.1941 за подписью Г. Жукова – небольшими группами. Как следствие, дальние бомбардировщики несли тяжелые потери, уже к середине июля численность ДБ-3 и ДБ-3Ф сократилась вдвое.

Недостатки ДБ-3Ф, в марте 1942 года получившего наименование Ил-4, до конца изжить все же не удалось. Для выполнения задач в условиях противодействия авиации противника вооружения, состоящего из одного 12,7-мм пулемета УБТ на турели (до весны 1942 года 7,62-мм ШКАС) и еще одного ШКАС в нижней установке (не считая курсового пулемета штурмана), имеющему невысокую скорость бомбардировщику было недостаточно. Кроме того, недостаточной была устойчивость самолета в полете, отмечали летчики и сложность управления. Один из наиболее известных летчиков дальней авиации дважды Герой Советского Союза А. Молодчий вспоминал: «Ил-4 неустойчив, каждую секунду норовит завалиться в крен, уйти с курса, задрать, или опустить нос. Нужно беспрерывно крутить штурвал, чтобы самолет летел в заданном режиме… Ил-4 даже без бомб днем, при хорошей видимости непросто поднять в воздух. Взлет считался одним из самых сложных элементов полета».

И тем не менее Ил-4 до последних дней войны оставался основным типом дальнего бомбардировщика советских ВВС, не только наносившего бомбовые удары по Кенигсбергу, Данцигу, Берлину, Будапешту, Бухаресту, но и действующего в тактической глубине, осуществляя бомбардировки железнодорожных и авиаузлов, портов и других объектов.

Более тридцати летчиков, воевавших на Ил-4, стали Героями Советского Союза.

Широко применялся самолет и в авиации флота. Уже в 1937 году на базе бомбардировщика был создан торпедоносец ДБ-3Т, способный нести 940-килограммовую торпеду типа 45-36 и при этом сохранивший и возможность нести бомбовую нагрузку.

В этом же 1937 году был разработан и поплавковый вариант машины ДБ-3ТП. На испытаниях самолет показал хорошие летные данные, однако эксплуатация изначально «сухопутного» бомбардировщика сопровождалась рядом проблем – от неудобства подвески вооружения до попадания морской воды в бомбоотсек и люковую стрелковую установку. Кроме того, принятие на вооружение гидросамолета-торпедоносца требовало создания отдельной инфраструктуры обслуживания. В итоге было принято решение сосредоточить усилия на развитии морской авиации берегового базирования.