Взлетный вес машины новой модификации снова вырос, она стала «норовистее» и медленнее набирала высоту. Тем не менее, ДБ-3 2М-87 считался по-прежнему доступным летчику средней квалификации, даже сам главный конструктор свободно летал на них. Осенью 1941 года «попробовать» машину дали пилоту британской миссии в Москве К.Е.Сли, летавшему на английских тяжелых бомбардировщиках. В своем отчете он отметил, что самолет имеет хороший обзор из кабины, нормально слушается рулей, может летать на одном двигателе и разворачиваться как в сторону работающего мотора, так и против. Главными недостатками были названы большие нагрузки на управление и недостаточная эффективность тормозов. Сли отдельно отметил необходимость частого использования триммеров, указав, что правильные действия ими значительно снижают нагрузку на штурвал и педали.
Заявить о себе и проверить возможности нового самолета в самых экстремальных условиях всегда помогали рекордные полеты. В начале 1938 года была начата работа по превращению серийного бомбардировщика в самолет для сверхдальних полетов. Основная нагрузка легла на моторную группу Г.М.Литвиновича, которая практически полностью переделала топливную и масляную системы. 8 апреля документация на рекордный самолет, названный ЦКБ-30 «Москва» или «машина № 9*, была передана в производство, 15 мая ее выкатили на аэродром, а 16-го пилот Коккинаки и штурман Бряндинский испытали ее в воздухе. 26 июня тот же экипаж повел «девятку» в первый дальний рейс. Логическим завершением рекордной серии «Москвы» стал трансатлантический перелет. На модифицированном самолете (моторы М-86 заменили на М-876, переделали кабину пилота, усовершенствовали оборудование и системы) экипаж Коккинаки-Гордиенко прошел за 23 часа расстояние свыше 8000 км.
Под влиянием успеха было решено организовать рекордный перелет женского экипажа, включавшего двух пилотов и штурмана. 5 июля 1940 года Мария Нестеренко, Мария Михалева, Нина Русакова на самолете Н-2, представлявшего собой модификацию серийного ДБ-3, начали перелет Москва-Свердловск-Севастополь-Москва, в котором без посадки должны были пройти более 5000 км. Но, попав в непогоду, по команде с земли прервали полет. Машина приземлилась на аэродроме в Свердловске. 27 июля тот же экипаж на самолете «Украина» (вероятно, это был тот же Н-2) стартует в сверхдальний рейс Хабаровск- Львов. Машина попала в грозу, над Уралом отказал мотор, самолет «посыпался» почти до земли, но Нестеренко смогла запустить двигатель. Тем не менее, из штаба перелета дали приказ идти на вынужденную. К тому моменту «Украина» прошла за 22 часа 32 минуты почти 7000 км по прямой. Это перекрывало достижение Гризодубовой на ДБ-2, но задание не было выполнено полностью, и не совсем удавшийся рекорд решили забыть.
Используя опыт рекордсменов, ОКБ Ильюшина спроектировало подвесной внутрифюзеляжный бак для перегонов самолетов на отдаленные базы и специальный контейнер для перевозки съемного оборудования и вооружения транспортными самолетами. Кроме того, была создана специальная курьерская модификация ДБ-3. На месте средней стрелковой установки можно было разместить с относительным комфортом несколько пассажиров или небольшой груз. Несколько таких самолетов летали на линии Алма-Ата-Ланьчжоу (Китай).
Там шла война, и вскоре представилась возможность испытать бомбардировщики в реальных условиях. В начале 1939 года было решено отправить в Китай 24 самолета ДБ-3 вместе с советским персоналом. Подготовкой руководили лично командарм B.C.Хользунов и главный штурман ВВС А.В.Беляков, командиром был назначен капитан Г.А.Кулишенко. В июле самолеты прибыли на место постоянного базирования в Чэнду.
Хорошая выучка позволила экипажам быстро освоить незнакомый район. Их крупнейшим успехом стали два налета на авиабазу в Ханькоу — почти за полторы тысячи километров от Чэнду. Точное расположение объектов на вражеском аэродроме было неизвестно, система ПВО — тоже. Вылет решено было производить днем с доразведкой на месте, рассчитывая на внезапность и большую высоту.