Фактически к сдаче серийных бомбардировщиков приступили только в начале 1937 г. Эти машины просто именовались ДБ-3 – без всяких буквенных индексов. Весной того же года первые ДБ-3 отправились на войсковые испытания. Эту задачу первоначально поручили 45-й эскадрилье (бывшей крейсерской) 23-й тяжелобомбардировочной авиабригады в Монино( входившей в 1 -ю армию особого назначения – AOН-1). Видимо, решили, что двухмоторный КР-6 все же ближе по технике пилотирования к ильюшинской машине. чем неуклюжие ТБ-3. на которых летали остальные эскадрильи бригады. Приемка бомбардировщиков велась на Центральном аэродроме. Первый самолет завод сдал в конце февраля: его благополучно перегнали в Монино.
А вот вторая машина (третья серийная) до места назначения не добралась.
4 марта у этого бомбардировщика почти сразу после взлета в Москве на высоте 50 м отказали одновременно оба двигателя. Самолет рухнул на крышу двухэтажного дома в селе Всехсвятском. На счастье, члены экипажа во главе с капитаном Федоровым были только легко ранены, а в доме в этот момент никого не оказалось.
Остальные четыре ДБ-3 начали осваиваться летчиками 45-й аэ, прошедшими краткий курс переподготовки в НИИ ВВС. Но пробыли они там сравнительно недолго. 45-ю эскадрилью решили превратить в скоростную и начали поставлять туда СБ.
Бомбардировщики Ильюшина в апреле передали 90-й аэ майора Журавлева. стоявшей там же. в Монинском гарнизоне. Это была хорошо подготовленная часть с опытным летным составом. Летала она на ТБ-3 последней модификации с моторами AM-34РН. Пилоты имели на них по 200-400 часов налета. в том числе ночью и по приборам. Для освоения ДБ-3 выделили лучших летчиков.
Испытания шли до сентября. Общие выводы были исключительно благожелательны: «По своим летно-тактическим данным самолет ДБЗ отвечает требованиям современного дальнего бомбардировщика… Скорость, скороподъемность. высотность и большой радиус действия самолета сочетаются с большой бомбовой нагрузкой различных вариантов. с достаточной обороноспособностью и маневренностью». Экипажи отмечали, что условия работы в новом самолете значительно лучше, чем на Р-6 и ТБ-3.
Программа войсковых испытаний включала воздушную стрельбу (по конусам. причем мишени таскал один из ДБ-3. оборудованный самодельной конусной установкой), бомбометание практическими и боевыми бомбами, испытание химического вооружения, дальние маршрутные полеты (продолжительностью до 8-10 часов). Из числа выявленных в тот период недостатков, пожалуй, стоит выделить три: низкую надежность моторов, сильную тенденцию к развороту на взлете и слабость шасси. К октябрю 1937 г. зафиксировали пять случаев отказа двигателей в полете.