Действуя на малых высотах, самолеты легко поражались огнем зенитной артиллерии и сбивались истребителями, в силу чего несли огромные потери. Бронирование оказалось недостаточным, а бортстрелки на Ил-2, появившиеся в 1943 г., вообще являлись по сути смертниками. Модернизация машины назрела еще во время Сталинградской битвы, но малую эффективность штурмовиков тогда просто компенсировали постоянным ростом их численности.
26 октября 1943 г. Государственный Комитет Обороны постановил предъявить обновленный штурмовик на государственные испытания к 15 ноября того же года. Однако эти планы были сорваны Ильюшиным.
Что интересно при проектировании обновленного варианта машины, ей первоначально хотели вернуть одноместную кабину, от которой отказались по итогам первого периода войны. Дело в том, что наличие бортстрелка давало в общей сложности лишних 800 килограммов веса. Экономию этого «груза» предполагалось использовать на увеличение запаса прочности и установку воздушных тормозов (365 кг), а также на увеличение бомбовой нагрузки (400 кг). Одноместный пикирующий бомбардировщик, по расчетам, имел бы возможность пикировать под углами до 60° и нести 800 килограммов бомб. Однако страх перед истребителями люфтваффе был так силен, что пойти на столь радикальные изменения не решились. Таким образом, новая машина, первоначально именовавшаяся Ил-1, опять стала компромиссным вариантом, в которой ради усиления защиты была значительно понижена ударная мощь.
Работы шли медленно, и лишь 20 апреля 1944 г. известный летчик-испытатель В. К. Коккинаки на заводском аэродроме авиазавода № 18 впервые поднял в воздух машину, вскоре получившую новое название Ил-10.
От своего предшественника она отличалась более мощным двигателем (номинально 2000 л. с.), чуть меньшей массой и слегка укороченными и меньшими по площади крыльями. В бронекапсулу «по многочисленным просьбам потребителей» помимо кабины водителя и мотора была полностью включена кабина воздушного стрелка. При этом толщина брони капота двигателя была увеличена снизу и с боков до 8 миллиметров вместо четырех. Бортовое и вооружение и бомбовая нагрузка не изменились. Последняя хоть и составляла по техпаспорту 600 килограммов, фактически, по данным авиационных частей, не превышала 400.
Однако запуск обновленной модификации в производство долго откладывался из-за недоработанности конструкции и двигателя. Последний во время сдаточных полетов постоянно воспламенялся, особенно при крутом планировании. Поэтому только в ноябре первые Ил-10 поступили на вооружение элитного 108-го гвардейского авиационного Рава-Русского ордена Суворова штурмового полка подполковника О. В. Топилина, прибывшего в Куйбышев специально для перевооружения на новые машины. Закончив к 12 декабря теоретический курс обучения, летно-технический состав полка перебазировался на аэродром 1-й запасной авиабригады около станций Кинель-Черкасы, где приступил к практическому освоению новой машины. Летчики были преисполнены энтузиазма, надеясь «поскорее продолжить бить фашистов» на новой технике, но в реальности их постигло разочарование. Самолет был сконструирован впопыхах и по качеству был намного хуже своего предшественника.
Так, на Ил-10 командира эскадрильи капитана Иванова в полете возник пожар. В этот момент летчик находился далеко от аэродрома, справиться с горящей машиной ему не удалось. Пожар принял катастрофические размеры, взорвался передний бензобак… Иванов погиб.
После ряда доработок эксплуатационные и качественные характеристики Ил-10 достигли некоего подобия нормы, и 26 декабря серийное производство новой машины было возобновлено.
В последнем квартале 1944 г. авиазаводами № 1 и № 18 был изготовлен 41 Ил-10. В следующем году выпуск постепенно увеличивался: 50 машин в январе, 90 — в марте, 163 — в мае. В итоге на фронт новый штурмовик попал лишь под самый конец войны и уже не мог принять активного участия в боевых действиях.
Весной 1945 г. 108-й гв. шап прибыл на фронт, имея в своем составе 43 Ил-10. На первое задание новые самолеты отправились 15 апреля.
Боевые вылеты в основном осуществлялись группами по шесть — восемь машин под прикрытием четырех истребителей Лa-5 из 6-й гв. иад, иногда группами по четыре штурмовика в сопровождении двух «Лавочкиных». Ил-10 имели гораздо большую скорость, чем предшественники, что намного упрощало задачу эскорта. Дело в том, что крейсерская скорость Ил-2 составляла около 300–330 км/ч, то есть примерно на 40 % меньше, чем у Ла-5 и Ла-5ФН. Из-за этого истребители не могли сопровождать штурмовиков по прямой, а описывали над ними круги и делали всевозможные маневры. Именно из-за этого в течение всей войны часто имели место случаи, когда истребители эскорта теряли подопечных из виду либо оказывались в стороне в момент атаки немецких самолетов. «Десятка» же за счет более мощного мотора могла лететь к цели со скоростью до 450 км/ч и выше, что позволяло «Лавочкиным» и Якам двигаться над ними без маневров и постоянно держать в поле зрения.