Второй налет на Берлин состоялся в ночь на 10 августа, на этот раз немецкие зенитки сбили один самолет, экипаж которого пропал без вести. Третий вылет начался с трагедии и поэтому был на пару дней отложен. В целях эксперимента на двух ДБ-ЗФ повысили бомбовую нагрузку до 1000 кг, так как Сталин лично потребовал увеличить калибр сбрасываемых на Берлин бомб. Эти самолеты взлетали почти одновременно с двух разных аэродромов. С аэродрома Кагул попытался подняться в воздух с одной бомбой ФАБ-1000 экипаж Гречишникова. Однако в конце полосы бомбардировщик едва сумел оторваться от земли, перелетел через изгородь, вновь ударился колесами о землю, снес шасси и загорелся на развороте. Экипаж быстро покинул машину и остался цел. На Асте все оказалось гораздо хуже. Самолет Павлова с двумя бомбами ФАБ-500 вообще не смог оторваться от земли, врезался на краю аэродрома в препятствия и мгновенно взорвался. Весь его экипаж погиб.
Большого военного значения налеты советских бомбардировщиков на Берлин не имели, но их важность с пропагандистской точки зрения была несомненной. Так, жительница Берлина Анни Ренниг писала своему мужу, воевавшему под Ленинградом: «Дорогой мой Эрнст! Война с Россией уже стоила нам многих сотен тысяч убитых. Мрачные мысли не оставляют меня. В последнее время ночью к нам прилетают бомбардировщики. Нам говорят, что нас бомбили англичане, но нам точно известно, что в эти ночи нас бомбили русские. Они мстят за Москву. Берлин от разрывов бомб весь сотрясается… И вообще я скажу тебе: с тех пор как появились над нашими головами русские, ты не можешь себе представить, как нам стало теперь скверно…».
Немецкое командование вначале приписывало налеты английским ВВС, но вскоре разобралось в ситуации, а разведка донесла ему о местах дислокации советских дальних бомбардировщиков. Поэтому директива № 34, изданная штабом Верховного главнокомандования вермахта 12 августа, гласила: «…следует совместными усилиями соединений сухопутных войск, авиации и военно-морского флота ликвидировать военно-морские и военно-воздушные базы противника на островах Эзель и Даго. При этом особенно важно уничтожить вражеские аэродромы, с которых осуществляются налеты на Берлин». Первый массированный удар люфтваффе по аэродрому Кагул был нанесен уже на рассвете 13 августа, однако он оказался безуспешным, поскольку все советские самолеты находились в воздухе, возвращаясь с очередного налета на Берлин. Зато вечером истребители-бомбардировщики Bf.110 сожгли на стоянках два ДБ-ЗФ.
Следует заметить, что, кроме особой оперативной группы на ДБ-ЗФ, в налетах на Берлин в августе 1941 года приняли участие и тяжелые бомбардировщики из 81-й авиационной дивизии, которой командовал известный летчик М.В. Водопьянов. Всего для рейда на Берлин из состава 81-й дивизии были отобраны 10 новейших четырехмоторных бомбардировщиков ТБ-7 (Пе-8) и 16 двухмоторных Ер-2. В качестве места их базирования выбрали аэродром в городе Пушкине под Ленинградом, откуда общая протяженность маршрута до Берлина и обратно составляла приблизительно 2700 километров. В качестве дальнего бомбардировщика ТБ-7, естественно, превосходил ДБ-3 как по дальности полета, так и по бомбовой нагрузке, однако его боевую ценность существенно снижали ненадежные дизельные двигатели.
Ер-2 оснащался двумя стандартными моторами М-105, однако по мощности они не соответствовали тяжелому самолету.
Время вылета самолетов 81-й авиадивизии назначили на вечер 10 августа. Перед этим в каждый ТБ-7 загрузили по 2 тонны бомб, и еще по 700 кг взяли на борт бомбардировщики Ер-2. Однако с самого начала операции все пошло наперекосяк. Если первые четыре ТБ-7 поднялись в воздух с бетонной полосы без проблем, то из четырех Ер-2, взлетавших рядом с грунтовой полосы, от земли смогли оторваться только трое, а четвертый снес себе шасси, попав в конце аэродрома в канаву. После этой аварии всем самолетам было приказано взлетать с бетонки, но и здесь не обошлось без происшествий. Очередной ТБ-7 растаял в небе, но у следующего бомбардировщика на взлете отказали оба правых двигателя, машину развернуло поперек полосы, и она ударилась о землю. Половина членов экипажа сразу погибла, а оставшиеся получили ранения. Над горящим самолетом успели уйти в воздух еще два ТБ-7, прежде чем взлет был окончательно запрещен. В итоге на задание отправились всего семь ТБ-7 и три Ер-2. Из этих бомбардировщиков на свой аэродром вернулись только два – один ТБ-7 и один Ер-2. Из числа четырехмоторных ТБ-7 один самолет после выполнения задания приземлился на аэродроме в Торжке, второй сел в Обухово, третий был сбит собственной зенитной артиллерией, а еще три были разбиты во время вынужденных посадок на территории Финляндии и СССР. Из самолетов Ер-2 один пропал без вести, а другой на обратном пути сбили по ошибке советские истребители И-16 (к счастью, весь экипаж сумел выброситься из горящего бомбардировщика с парашютами).