С 1938 г. КБ С.В. Ильюшина приступило к модификации самолета, получившей наименование сначала ДБ-ЗФ, а позже - Ил-4. Эта машина отличалась прежде всего улучшенной аэродинамикой, более мощными высотными моторами М-88 и основательным изменением конструкции в соответствии с использованием новой технологии производства. 21 мая 1939 г. В.К. Коккинаки впервые поднял ДБ-ЗФ в воздух, а с 31 августа начались ее государственные испытания.

С первых дней Великой Отечественной войны как армейские, так и морские авиачасти, имеющие на своем вооружении самолеты ДБ-З, ДБ-ЗТ и ДБ-ЗФ активно включились в боевые действия. Уже спустя два дня после нападения гитлеровцев экипажи этих самолетов начали налеты на военно-промышленные объекты Данцига и Кенигсберга. Затем бомбовым ударам подверглись аэродромы, коммуникации и места крупного сосредоточения войск противника. В ночь с 7 на 8 августа 1941года пятнадцать самолетов ДБ-ЗТ под командованием полковника Е.Н. Преображенского (1 минно-торпедный полк ВВС КБФ) нанесли бомбовый удар по Берлину. Этот налет стал первой подобной операцией советской дальней авиации. Спустя три дня по Берлину был нанесен удар группой самолетов ДБ-ЗФ дальней авиации ВВС под командованием майора В.И. Щелкунова.

В период Великой Отечественной войны Ил-4 стал основным советским дальним бомбардировщиком. В процессе серийного производства Ил-4 неоднократно улучшался. Был введен четвертый член экипажа (стрелок люковой установки), усилено оборонительное вооружение, улучшены характеристики устойчивости и управляемости, увеличен запас топлива.

Эксплуатация Ил-4 в боевых условиях выявила большой разброс в расходе горючего из-за неправильной регулировки карбюраторов, что снижало дальность. Отсутствие пламегасителей на выхлопных патрубках двигателей демаскировало самолеты ночью, а голубая окраска нижней поверхности машины сильно отражала свет от прожекторов. Устаревшие пулеметы не обеспечивали требуемую обороноспособность в воздушном бою.

Дважды Герой Советского Союза А.И. Молодчий рассказывал: "Автопилота на самолете нет (на отдельных машинах устанавливали - прим. автора), а по своей природе 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

В 1942-м в СССР по ленд-лизу стали поступать бомбардировщики В-25С "Митчел", довольно быстро освоенные в Дальней авиации. Как показали летные испытания, проведенные в НИИ ВВС, В-25-С, по сравнению с Ил-4, обладал большей максимальной скоростью, доходившей на высоте 5000 м до 490 км/ч, значительно меньшей дальностью (1960 км с бомбовой нагрузкой 1400 кг и более низким потолком, не рпевышающим 7500 м. В-25-С нуждался в значительно больших аэродромах. Следует отметить, что более комфортные условия на борту, автопилот и хорошая устойчивость в полете значительно улучшали работу экипажа по сравнению с Ил-4. Его пилотирование, включая взлет и посадку оказалось настолько простым, что позволяло быстро вводить в строй молодых летчиков. Сильнее было и оборонительное вооружение, состоявшее из одного 7,62-мм и четырех 12,7-мм пулеметов. И все-же основным дальним бомбардировщиком в годы войны оставался Ил-4, ведь число "американцев", поставленных в СССР, не превысило 24% от выпущенных в 1941-1945 годах "Илов".

За годы серийной постройки отечественные заводы выпустили 4803 ДБ-3Ф и ИЛ-4. Производство Ил-4 завершилось в 1946 году постройкой последних 4-х машин на заводе №126. Несмотря на огромное количество построенных дальних бомбардировщиков, ни один из них не дожил до наших дней. А все, что хранится в музеях и на постаментах, восстановлено из найденных энтузиастами останков времен войны.