Основу противовоздушной обороны финнов составляла зенитная артиллерия, относительно современных истребителей Фоккер D.XXI было всего 39 машин, но сразу с началом войны страны Запада направили Финляндии военную помощь, в том числе прибыли новые истребители. Вместе с тем нагрузка на бомбардировочные части возросла, когда начался штурм «Линии Маннергейма» — системы капитальных огневых позиций, прикрывавших южные промышленные районы страны со стороны границы с СССР. Опорные пункты «линии» представляли собой железобетонные казематы с несколькими орудийными и пулеметными амбразурами, прикрытые минными полями, заграждениями из надолбов, колючей проволоки и минных полей, а также меньшими, но хорошо замаскированными дотами. Многие такие объекты были построены на американские деньги и стоили свыше миллиона долларов каждый. «Линия» выдержала первый удар, и теперь взломать ее пытались непрерывной бомбардировкой. Здесь ДБ-3 должны были сыграть решающую роль, ведь они могли брать особо мощные фугасные авиабомбы ФАБ-1000 и специальные броне- и бетонобойные бомбы калибра 500 и 50 кг.
19 января 1940 года прибыл на фронт 42-й ДБАП, а 17 февраля — 7-й ДБАП, а из экипажей Полярной Авиации и Гражданского Воздушного Флота, имевших большой опыт слепых полетов в сложных метеоусловиях, сформировали сначала отдельную эскадрилью, а затем — 85-й авиаполк специального назначения, в составе которого были и ДБ-3. В 85-м АП на финском фронте на ДБ-3, среди прочих, летал Герой Советского Союза, летчик-испытатель и рекордсмен Г.Ф. Байдуков. Бомбардировщики и тяжелая артиллерия «проломили» финскую оборону, и война завершилась 13 февраля 1940 года. Финляндия уступила требованиям СССР, но назвать это победой ни у кого язык не поворачивался. В «зимней войне» советская авиация понесла тяжелые потери. Позорный случай произошел 6 января 1940 года. Три девятки ДБ-3 6-го ДБАП возвращались с удачной бомбежки. Одна из эскадрилий была атакована парой D.XXI. Воспользовавшись неорганизованностью экипажей бомбардировщиков, а также тем обстоятельством, что самолеты были укомплектованы по нормам мирного времени (!) и не имели нижних пулеметов, финны безнаказанно сбили 7 ДБ-3.
По итогам конфликта прошла кампания награждений и наказаний. Среди тех, кто головой поплатился за крупные неудачи, был и командир 6-го ДБАП. Был также сделан справедливый вывод, что необходимо создать на замену ДБ-3 самолет с качественно более высокими летно-тактическими данными, а ведь в то бурное время летная жизнь подобных машин была короткой. Хотя проектирование «альтернативного» дальнего бомбардировщика уже в 1936 году было задано и другим ОКБ (например, строился самолет К-13 конструкции К.А. Калинина), но именно ДБ-3 был становым хребтом формируемой Дальнебомбардировочной Авиации — ДБА. Она была организована в ноябре 1940 года вместо трех Армий особого назначения (АОН), в которые сводились части, вооруженные ТБ-3. Оставаясь в составе ВВС, командование ДБА напрямую подчинялось Ставке Верховного Главнокомандования (ВГК), выполняя задачи стратегического масштаба. Парк ДБА для этого должен был быть не только качественно совершенным, но и достаточно многочисленным. Две трети его должны были составить двухмоторные дальние бомбардировщики, а остальное — тяжелые скоростные и высотные четырехмоторные бомбардировщики, дальние разведчики, истребители сопровождения и прикрытия аэродромов. Три завода с 1936 по 1941 год построили 1528 самолетов ДБ-3, этого было вполне достаточно, чтобы наполнить новую военную доктрину содержанием.
Бригады, которые постепенно стали слишком громоздкими и плохо управляемыми, были расформированы. С 1938 года основной тактической единицей ВВС стал авиаполк 4-х эскадрильного состава. Полки на ДБ-3 именовались дальнебомбардировочными (ДБАП), а на четырехмоторных ТБ-3 и ТБ-7 — тяжелобомбардировочными (ТБАП). Они по два-три сводились в дивизии, а те в свою очередь по две объединялись в дальнебомбардировочные корпуса, которые были призваны решать задачи в масштабах фронта (стратегического направления). 1-й ДБАК базировался на северо-западе СССР, 3-й был нацелен прямо на Запад и занимал аэродромы Белоруссии и западной части РСФСР, 4-й отвечал за южное направление (Украина и Кавказ), 5-й базировался в Забайкалье и на Дальнем востоке. Еще один корпус, 2-й ДБАК дислоцировался в тылу, в средней полосе РСФСР и был готов выдвинуться на нужное направление по команде Ставки.
Лишь с появлением торпедоносца ДБ-ЗТ завершилось формирование Минно-торпедной Авиации ВМФ. Балтийскому, Черноморскому, Северному и Тихоокеанскому флотам планировалось придать по одной минно-торпедной авиадивизии двухполкового состава. Но фактически к лету 1941 года в строю было только два минноторпедных авиаполка— 1-й МТАП ВВС Балтийского Флота и 2-й МТАП на Черном море.