Однако наиболее масштабной была глубокая модернизация ДБ-3 с установкой новых двигателей М-88 (1100 л.с.), удлиненной и более обтекаемой носовой части фюзеляжа веретенообразных очертаний с обширным остеклением, незначительным увеличением площади крыла при сохранении прежнего размаха. Новая модификация получила название ДБ-3ф. На испытания прототип вышел 21 мая 1939 года. Однако, вследствие недоведенности двигателя М-88, на государственные испытания самолет передали с моторами М-87, с такими двигателями выпустили и часть серийных машин. Выпуск их на заводах № 39 и № 18 начался в конце 1939 года, на заводе N° 126 — во втором квартале 1941 года.
По мере поступления новой техники на вооружение в полках дальнебомбардировочной авиации была весьма пестрая картина — были полки, полностью перевооруженные на ДБ-3ф, были полки на старой технике (а на Дальнем Востоке таких было вообще большинство), а были — смешанные.
Стоит также сказать, что новый самолет не вызвал восторга у летчиков. Изменение центровки привело к значительному снижению устойчивости. «Пилотажные качества самолетов ДБ-3ф в значительной степени ухудшились по сравнению с качествами самолета ДБ-3», — писал Смушкевич.
Одновременно продолжались работы по запуску в серию перспективных самолетов — ДБ-4 Ильюшина и ДБ-240 Ермолаева. Производство ДБ-4 планировалось отдать московскому заводу № 39, а освоение ДБ-240 (Ер-2) поручили заводу в Воронеже. Первый проект плана на 1941 год предусматривал выпуск 1480 ДБ-240 и всего лишь 350 ДБ-3ф (на одном заводе в Комсомольске). На ДБ-240 хотели перевооружить 24 полка, но трудности с освоением бомбардировщика Ер-2 вынудили уже через месяц изменить цифры на 100 ДБ-240 и 750 ДБ-3ф. На ДБ-240 решили перевести поначалу всего два полка.
В апреле 1941 года в Воронеже сдали последние ДБ-3ф и полностью переключились на Ер-2 и Ил-2, в Москве к маю ильюшинские машины были вытеснены самолетами Пе-2. Однако к июню 1941 года в ВВС ДБ-3 в разных вариантах оставался основной машиной дальней авиации.
ДБ-4 (ЦКБ-56) вышел на заводские испытания только в октябре 1940 года и страдал множеством конструктивных недостатков. Его построили в двух экземплярах, но даже не выставляли на государственные испытания. Ер-2, хотя и начал выпускаться в довольно больших количествах, страдал множеством «болезней роста» и в строевые части попал только с началом войны — в июле 1941-го.
Нехватка современной техники вынудила вновь обратить внимание на устаревшие четырехмоторные машины. До весны 1940 года позиция командования ВВС относительно ТБ-3 являлась однозначной: самолет полностью устарел, ни на роль бомбардировщика, ни десантно-высадочного самолета уже не годен. Предполагалось отобрать наименее изношенные машины для военно-транспортной авиации и ГВФ, а остальные — массово списать. Но уже летом 1940 года курс начал резко меняться. На тот момент военному командованию стало понятно, что вступления в большую войну не избежать, и поэтому было предписано изъять самолеты ТБ-3 из десантных и транспортных частей и сформировать несколько новых тяжелобомбардировочных полков. За счет этих машин хотели перевести на пятиэскадрильный штат 3-й и 7-й тбап, создать тяжелые отряды в 5-м (Мурманск) и 80-м (Архангельск) смешанных полках (сап) и сформировать восемь отдельных эскадрилий — в Вазиани (Грузия), Ташкенте и на Дальнем Востоке. Однако все эти планы перечеркнула война.