Недостатки вскрылись и в схеме бортового вооружения – стрелковые установки имели непростреливаемые «мертвые зоны», чем пользовались истребители противника. Малоэффективной оказалась носовая установка, из которой должен был вести огонь штурман. Кроме того, верхнюю турель и нижнюю люковую установку обслуживал один член экипажа, что также не лучшим образом влияло на эффективность отражения атак истребителей.
Оснащенные моторами М-86 и М-87 самолеты ДБ-3 дорабатывались в течение длительного времени, в том числе после прекращения их серийного выпуска. Однако было очевидно, что для соответствия все возрастающим требованиям необходимы более кардинальные изменения.
Одной из таких попыток стало создание нового самолета, осуществленное параллельно с модернизацией ДБ-3. По сравнению с ДБ-3 самолет ЦКБ-56, или ДБ-4, имел большие габариты и размах крыла, хвостовое оперение было выполнено двухкилевым. Техническое задание предполагало создание самолета, имеющего дальность действия до 4000 км с бомбовым грузом 1000 тонн, с максимальной скоростью до 550 км/ч. Максимальная бомбовая нагрузка ДБ-4 должна была достигать 4 тонн.
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.