ДБ-4 задумывался изначально с расчетом на установку перспективных двигателей М-120 с расчетной взлетной мощностью 1850 л.с., однако создание этих двигателей затягивалось, и на практике самолет получил менее мощные АМ-37. Первый полет самолет совершил только 15 октября 1940 года, при этом выявился ряд недостатков, в том числе недостаточная путевая устойчивость, тряска в полете и недостаточная жесткость фюзеляжа на кручение. Длительной доводкой самолета заниматься не стали – к этому времени успешно прошел испытания бомбардировщик ДБ-240 (Ер-2), а для КБ Ильюшина посчитали более актуальным работу над иными самолетами, которые в итоге и стали основной силой бомбардировочной и штурмовой авиации РККА в годы войны.
В 1938 году была начата работа по коренной модернизации ДБ-3. Новая модификация получила обозначение ДБ-3Ф. Внешне обновление выразилось в изменении носовой части планера, которая вместо прежней закругленной приобрела удлинённую заостренную форму с большой площадью остекления. Другим принципиальным новшеством стала установка двигателя М-88 взлетной мощностью 1100 л.с.
Гораздо более кардинальными были изменения в конструкции самолета. С целью упрощения технологического процесса трубчатые лонжероны заменили на двутавровые, предельно сократили число сварных узлов, внедрили открытую двустороннюю клепку, в результате чего не только трудоемкость производства снизилась вдвое, но и в значительной степени исключался брак по причине низкой квалификации рабочих.
Внедрение самолета в серию проходило трудно. Потребовалась значительная перестройка производства, сам самолет все еще имел значительное число недоработок, что было отмечено в приказе НКАП от 8 мая 1940 года:
Помимо конструктивных недоработок, самолеты первых партий выпускались заводами с огромным процентом брака. Дополнительные проблемы возникли и с двигателями – М-88 оказался откровенно «сырым» и ненадежным, ресурс двигателя не достигал 100 часов, многочисленные случаи отказов двигателя привели к ряду аварий, в результате чего 6 августа 1940 года постановлением Комитета Обороны № 340cc выпуск М-88 был прекращен. Впрочем, уже постановлением КО СНК № 422сс от 3 ноября этого же года предписывалось «
Доработка и усовершенствование самолета продолжались и впоследствии. Правда, некоторые из них носили вынужденный характер – так, в первый период войны в связи с образовавшимся дефицитом алюминия была увеличена доля дерева в конструкции самолета, в частности деревянной выполнялась носовая часть с кабиной штурмана. Само собой, это не улучшало летные данные. Вернуться к использованию металла удалось уже после того, как поставки алюминия по ленд-лизу позволили в более полной мере удовлетворить потребности промышленности в «крылатом металле».
Летом 1941 года в парке ВВС РККА и ВМФ числилось более 1200 ДБ-3 и 987 ДБ-3Ф, в том числе более 1200 самолетов в составе полков дальнего действия на западном направлении, которые в первые же дни войны приняли участие в боевых действиях. При этом во многих случаях дальние бомбардировщики привлекались к выполнению несвойственных им задач, выполняя функции фронтовой авиации – в частности, нанося удары в дневное время с малых высот по танковым колоннам вермахта. При этом вылеты, как правило, осуществлялись без истребительного прикрытия, к тому же, согласно директиве Ставки Верховного главнокомандующего от 4.07.1941 за подписью Г. Жукова – небольшими группами. Как следствие, дальние бомбардировщики несли тяжелые потери, уже к середине июля численность ДБ-3 и ДБ-3Ф сократилась вдвое.