Недостатки ДБ-3Ф, в марте 1942 года получившего наименование Ил-4, до конца изжить все же не удалось. Для выполнения задач в условиях противодействия авиации противника вооружения, состоящего из одного 12,7-мм пулемета УБТ на турели (до весны 1942 года 7,62-мм ШКАС) и еще одного ШКАС в нижней установке (не считая курсового пулемета штурмана), имеющему невысокую скорость бомбардировщику было недостаточно. Кроме того, недостаточной была устойчивость самолета в полете, отмечали летчики и сложность управления. Один из наиболее известных летчиков дальней авиации дважды Герой Советского Союза А. Молодчий вспоминал: «Ил-4 неустойчив, каждую секунду норовит завалиться в крен, уйти с курса, задрать, или опустить нос. Нужно беспрерывно крутить штурвал, чтобы самолет летел в заданном режиме… Ил-4 даже без бомб днем, при хорошей видимости непросто поднять в воздух. Взлет считался одним из самых сложных элементов полета».
И тем не менее Ил-4 до последних дней войны оставался основным типом дальнего бомбардировщика советских ВВС, не только наносившего бомбовые удары по Кенигсбергу, Данцигу, Берлину, Будапешту, Бухаресту, но и действующего в тактической глубине, осуществляя бомбардировки железнодорожных и авиаузлов, портов и других объектов.
Более тридцати летчиков, воевавших на Ил-4, стали Героями Советского Союза.
Широко применялся самолет и в авиации флота. Уже в 1937 году на базе бомбардировщика был создан торпедоносец ДБ-3Т, способный нести 940-килограммовую торпеду типа 45-36 и при этом сохранивший и возможность нести бомбовую нагрузку.
В этом же 1937 году был разработан и поплавковый вариант машины ДБ-3ТП. На испытаниях самолет показал хорошие летные данные, однако эксплуатация изначально «сухопутного» бомбардировщика сопровождалась рядом проблем – от неудобства подвески вооружения до попадания морской воды в бомбоотсек и люковую стрелковую установку. Кроме того, принятие на вооружение гидросамолета-торпедоносца требовало создания отдельной инфраструктуры обслуживания. В итоге было принято решение сосредоточить усилия на развитии морской авиации берегового базирования.
В 1940 году был начат выпуск торпедоносцев на основе модификации ДБ-3Ф, впоследствии именовавшихся Ил-4Т.
Именно летчики морской авиации уже через 1,5 месяца после начала войны осуществили первые бомбардировки территории Германии. 7 августа 1941 года 15 бомбардировщиков ДБ-3 из состава 1-го минно-торпедного авиационного полка (мтап) ВВС Балтийского флота под командованием полковника Е.Н. Преображенского совершили рейд к столице Рейха, в ходе которого нанесли удары по Берлину, Штеттину и Кенигсбергу.