V roce 1938 Iljušinova konstrukční kancelář přepracovala Iljušin DB-3, aby usnadnila výrobu a zlepšila jeho výkony; přepracovaná verze dostala označení DB-3F (Forsirovannije neboli „zesílený“). Vnitřní konstrukce letounu, zejména křídla, prošla rozsáhlými změnami, díky nimž odpadla nutnost ruční povrchové úpravy konstrukce a dural nahradil rozsáhlé použití oceli u dřívější verze. Palivový systém letounu byl přepracován, čímž se zvýšila jeho vnitřní kapacita a zároveň se snížil počet palivových nádrží. Příď trupu byla prodloužena, aby poskytla více místa pro navigátora/bombardéra a zároveň snížila odpor vzduchu. Prototyp DB-3F, poháněný stejnými motory Tumansky M-87B o výkonu 949 k (708 kW) jako DB-3M, pilotoval při svém prvním letu 21. května 1939 Vladimir Kokkinaki. Úspěšně prošel státními přejímacími zkouškami a v lednu 1940 vstoupil do výroby, přičemž motory M-87 rychle nahradily motory Tumansky M-88 o výkonu 1 100 k (820 kW). V březnu 1942 byl DB-3F přeznačen na Il-4. Některé série měly dřevěná vnější křídla a přední části trupu kvůli úspoře kovů a v průběhu výroby byly modernizovány motory a palivové nádrže pro zvýšení výkonu při zachování stejného doletu. Nejvýraznější změnou však bylo přidání větších obranných zbraní ve věži, kde se používal kulomet UBT ráže 12,7 mm (0,5 palce) namísto dřívějších zbraní ráže 7,62 mm (0,3 palce). Navíc bylo zjištěno, že střelci jsou napadáni jako první, takže kolem pozic střelců byly umístěny bloky pancíře.

Tuto vyšší hmotnost však nevyvážily novější motory a Il-4 se ukázal být pomalejší než dřívější verze, dosahoval rychlosti pouze 404 km/h (251 mph). Pokus o zlepšení výkonů byl proveden jako Il-6 přidáním velkých dieselových motorů a těžší výzbroje. Motory se ukázaly jako nespolehlivé a výroba nebyla nikdy zahájena. Il-4 se vyráběl až do roku 1945, kdy jich bylo vyrobeno něco přes 5 200.

.