I 1938 omdesignede Ilyushin-designbureauet Ilyushin DB-3 for at lette produktionen og forbedre dens ydeevne, og den reviderede version fik betegnelsen DB-3F (Forsirovanniye eller “boosted”). Flyets indre struktur, især vingerne, blev ændret i vid udstrækning, hvilket eliminerede behovet for håndbehandling af strukturen og med duraluminium i stedet for den omfattende brug af stål i den tidligere version. Flyets brændstofsystem blev omdesignet, hvorved dets interne kapacitet blev forøget, samtidig med at antallet af brændstoftanke blev reduceret. Rummets næse blev forlænget for at give mere plads til navigatøren/bombardøren og samtidig reducere luftmodstanden. Prototypen DB-3F, der blev drevet af de samme 949 hk (708 kW) Tumansky M-87B-motorer (708 kW) som DB-3M, blev pilotet på sin jomfruflyvning af Vladimir Kokkinaki den 21. maj 1939. Den bestod med succes de statslige godkendelsestests og blev sat i produktion i januar 1940, hvor Tumansky M-88-motoren med 1.100 hk (820 kW) hurtigt erstattede M-87-motoren. DB-3F blev omdøbt til Il-4 i marts 1942. Nogle serier havde ydre vinger og forreste fuselager af træ for at spare på metaller, og i løbet af produktionen blev motorer og brændstoftanke opgraderet for at forbedre ydeevnen, samtidig med at den samme rækkevidde blev bibeholdt. Den mest bemærkelsesværdige ændring var dog tilføjelsen af større forsvarsvåben i tårnet, hvor der blev anvendt 12,7 mm (0,5 tommer) UBT-maskinkanoner i stedet for de tidligere 7,62 mm (0,3 tommer) våben. Desuden viste det sig, at skytterne blev angrebet først, så der blev placeret panserblokke omkring skyttepositionerne.

Denne ekstra vægt blev dog ikke opvejet af de nyere motorer, og Il-4 viste sig at være langsommere end de tidligere versioner med kun 404 km/t (251 mph). Et forsøg på at forbedre ydeevnen blev gjort som Il-6, hvor der blev tilføjet store dieselmotorer og tungere bevæbning. Motorerne viste sig at være upålidelige, og produktionen blev aldrig påbegyndt. Il-4 forblev i produktion indtil 1945, da der var blevet bygget lidt over 5.200.