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: «…Передав в серийное производство не оконченную доводками машину, главный конструктор тов. Ильюшин растянул доработку машины на очень длительный срок, и даже в настоящее время нет уверенности в полной ее доработке, так как у руководства завода № 39 и главного конструктора тов. Ильюшина до сих пор нет продуманного, четкого плана по доводке самолета ДБ-ЗФ…»
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 «в связи с окончанием работ по устранению дефектов мотора М-88 и получением удовлетворительных результатов в процессе испытаний… разрешить НКАП возобновить серийный выпуск моторов М-88».
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.