Суровой проверкой для советской авиации стала финская война, разразившаяся 30 ноября 1939 года. С первого дня в боях участвовали вооруженные ДБ-3 6-й, 21-й и 53-й дальнебомбардировочные авиаполки ВВС и 1-й минно-торпедный полк авиации Балтфлота. Первыми целями стали военные объекты в городах Хельсинки и Вайпури, а морякам была поставлена задача уничтожить броненосцы «Ильмаринен» и «Вяйнемяйнен». Погода была отвратительной. «Слетел» с заснеженной полосы и взорвался ДБ-3 из 2-й эскадрильи 1 мтап. Тем не менее, полк продолжал работать. Разведзвено — тройку ДБ-3 из этого полка повел подполковник Бельский. Над портом Котка, несмотря на плотный огонь, машины прошли как на параде — крыло к крылу без противозенитного маневра. Дальше были базы Лавиза и Борго — огонь был настолько силен, что звено рассыпалось, но лишь на мгновение. Над Хельсинки — снова сомкнутым клином и, как результат, — под машиной лейтенанта Журавлева сразу несколько разрывов. ДБ-3 «клюнул», потом полез вверх, из правого мотора повалил дым. Самолет развернулся на юго-восток и скрылся в облаках. На базу он не вернулся. Дальше были Ханко, Турку и Аландские острова — снова сильнейший зенитный огонь. Броненосцев нет и там. Бельский принимает решение идти домой по тому же маршруту. В относительно спокойной южной части Финского залива самолет Вельского вошел в густую облачность, и больше его никто не видел. Корабли противника не обнаружены.
Дальнебомбардировочная авиация сосредоточила свои усилия на уничтожении вражеских резервов и узлов коммуникаций. Сильная ПВО делала массированные налеты делом сложным, а плохая погода не всегда давала возможность организовать истребительное прикрытие. Тем не менее, ДБ-3 показал высокую эффективность, и 19 января 1940 года в район боевых действий был направлен еще один, 42-й дальнебомбардировочный полк, а 17 февраля начал боевую работу 7-й дбап. Кроме того, с 1-го февраля начал совершать боевые вылеты 85-й авиаполк, сформированный на базе 12-й аэ и укомплектованный летчиками с большим опытом «слепых» полетов. В его составе были и ДБ-3.
По ДОТам линии Маннергейма использовались тяжелые фугаски ФАБ-500 и ФАБ-1000, бронебойные БРАБ такого же калибра. Так, например, в налете на береговую батарею в Ронониеме 14 января 1940 года самолеты ДБ-3 из 1 мтап брали по три бомбы ФАБ-1000 (нагрузку свыше 2000 кг фактически можно было реализовать лишь зимой, когда за счет холодного воздуха моторы давали большую мощность). По вражеской пехоте использовались кассеты РРАБ-3. Правда, снаряжать их было долго, а хранить «в сборе» нельзя, за что аббревиатуру РРАБ (ротативно-рассеивающая авиабомба) технари расшифровывали по своему: «работай, работай, а без толку». Видели бы они, как действуют эти штуки!
Немногочисленные и устаревшие финские истребители особой опасности не представляли, ДБ-3 хорошо выдерживал множественные пулевые пробоины. Правда, был случай, когда пара Фоккеров D-XXI в одном полете уничтожила 7 ДБ-3, ведя бой против большой группы советских бомбардировщиков. Малая война вскрыла большие прорехи в подготовке командиров и летчиков ДБА. Зато зенитный огонь обычно был плотен и точен. За 3 месяца и 13 дней Зимней войны только полки дальней авиации потеряли свыше 50-ти самолетов ДБ-3. Плохая погода, недостаточная подготовка экипажей и отказы матчасти вероятно стали причиной потери значительной части из еще полутора десятков бомбардировщиков, числящихся пропавшими без вести. 1-й мтап КБФ потерял не менее 3-х машин.
5 самолетов ДБ-3, совершивших вынужденную посадку на территории противника были отремонтированы и введены в состав ВВС Финляндии. Один из них 12 мая 1941 года был перегнан в германский испытательный центр Эрпробунгсштелле в Рехлине, где получил высокую оценку.
Между тем, еще в начале 1939 года на совещании с участием членов Политбюро, работников Наркомата авиапромышленности и представителей ВВС был поставлен вопрос о радикальной модернизации ДБ-3. Во главу угла ставилось улучшение защищенности самолета и резкое снижение трудоемкости его изготовления.
В феврале 1940 года была освоена заводом авиавооружения № 32 новая турельная установка МВ-3 с пулеметом БТ-12.7. Ее начали ставить на некоторых ДБ-3. Вместо старого люкового шкворня 5Т231 с марта 1940 часть самолетов стала оснащаться новой огневой точкой с выносной турелью МВ-2 с пулеметом ШКАС. Кроме того, было предусмотрено увеличение боезапаса пулеметов.