Тем временем Ильюшин продолжал совершенствовать свою машину. В 1938 году были сильно изменены обводы носовой штурманской кабины, усилено вооружение задней стрелковой точки. Существенно были улучшены и летные качества машины за счет установки более мощных моторов. На первых образцах ставили двигатели воздушного охлаждения М-85, строившиеся по лицензии французской фирмы «Гномрон». Коллектив конструкторов, возглавляемый С. Туманским, занялся совершенствованием этого мотора и разработал целую гамму двигателей — М-86, М-87, М-88, мощность которых была постепенно повышена с 760 л. с. до 1100 л с. М-87 А с трех лопастными винтами изменяемого шага были установлены на модернизированном в 1938 году ДБ-3. Этот новый самолет получил название ДБ-ЗФ (форсированный) или Ил-4. Новая машина пошла в серию в 1940 году, с еще более мощным двигателем М-88Б, позволившим увеличить скорость полета на высоте 6800 м до 445 км/ч.
В строгом распределении боевых авиационных обязанностей, составленном в довоенные годы, дальнему бомбардировщику Ил-4 предписывалось уничтожение целей, лежащих глубоко в тылу противника. Считалось, что эти самолеты будут разрушать важные военно-промышленные объекты, авиационные и военно-морские базы, железнодорожные узлы. В первые месяцы войны из-за нехватки ближних фронтовых бомбардировщиков советскому командованию приходилось использовать Ил-4 не по назначению, бросать их против вражеских танковых колонн и мотопехоты. И хотя потери дальних бомбардировщиков во время дневных налетов да еще без истребительного прикрытия были велики, ильюшинские самолеты сыграли важную роль в самые критические дни войны.
Именно на этом самолете совершил свой бессмертный подвиг Николай Гастелло, 26 июня получивший приказ нанести бомбовый удар по танковой колонне на шоссе Молодечно — Рошковицы. От попадания вражеского снаряда ДБ-3 начал гореть, и тогда Гастелло и его экипаж приняли решение направить горящую машину в скопление вражеских танков.
Так же поступил и герой первых налетов на Берлин В. Гречишников: 24 октября 1941 года под Ленинградом он тоже обрушил свой подбитый Ил-4 на фашистские танки. Выдающийся подвиг совершил младший лейтенант П. Игашев. 30 июня 1941 года во время налета на Даугавпилс его ДБ-3 был подожжен вражескими истребителями. И тогда Игашев направил свою горящую машину на «мессера», атаковавшего другой советский самолет. Игашев и его экипаж уничтожили вражеский истребитель и погибли сами, совершив первый в истории авиации таран на горящем дальнем бомбардировщике.
Ильюшинский бомбардировщик в непредусмотренных для него условиях показал себя крепким и надежным самолетом.
18 августа 1941 года в живучести Ил-4 довелось убедиться будущему дважды Герою Советского Союза В. Осипову. На семерку наших бомбардировщиков напали 15 «мессеров». В отчаянной схватке 5 наших машин и 12 фашистских было сбито, и Осипов повел свой израненный ДБ-ЗФ домой. «Самолет весь в пробоинах, от потока воздуха задирается обшивка, течет бензин и масло, но самолет не горит: спасает баллон с углекислым газом, который я правильно использовал», — вспоминал об этом полете Осипов. И снова атака вражеского истребителя, тут же прошитого очередью стрелка-радиста. Но атака не прошла бесследно и для Ил-4: вражеский снаряд оторвал почти треть лопасти винта правого мотора, машину сильно затрясло, и мотор пришлось выключить, чтобы от тряски не развалился самолет…
Когда наконец ДБ-ЗФ сел за линией фронта на окраине большого села, на нем не было живого места. «376 пробоин от пуль и снарядов оказалось недостаточным, чтобы сделать самолет неуправляемым», — с изумлением писал Осипов.