Im Jahr 1938 überarbeitete das Iljuschin-Konstruktionsbüro die Iljuschin DB-3, um die Produktion zu vereinfachen und ihre Leistung zu verbessern. Die überarbeitete Version erhielt die Bezeichnung DB-3F (Forsirovanniye oder „verstärkt“). Die innere Struktur des Flugzeugs, insbesondere die Tragflächen, wurde umfassend geändert, so dass die Struktur nicht mehr von Hand nachbearbeitet werden musste und Duraluminium die großflächige Verwendung von Stahl in der früheren Version ersetzte. Das Treibstoffsystem des Flugzeugs wurde neu gestaltet, wobei die interne Kapazität erhöht und die Anzahl der Treibstofftanks reduziert wurde. Die Rumpfnase wurde verlängert, um mehr Platz für den Navigator/Bombenschützen zu schaffen und gleichzeitig den Luftwiderstand zu verringern. Der Prototyp DB-3F, der von denselben 949 PS (708 kW) starken Tumansky M-87B-Motoren wie die DB-3M angetrieben wurde, absolvierte am 21. Mai 1939 seinen Erstflug unter der Leitung von Vladimir Kokkinaki. Sie durchlief erfolgreich die staatlichen Abnahmetests und ging im Januar 1940 in Produktion, wobei das 1.100 PS (820 kW) starke Tumansky M-88 das M-87 schnell ersetzte. Die DB-3F wurde im März 1942 in Il-4 umbenannt. Einige Serien hatten Außenflügel und vordere Rümpfe aus Holz, um Metalle zu sparen, und im Laufe der Produktion wurden Triebwerke und Treibstofftanks aufgerüstet, um die Leistung zu verbessern, während die Reichweite gleich blieb. Die bemerkenswerteste Änderung war jedoch der Einbau größerer Verteidigungswaffen in den Turm, wobei das 12,7 mm UBT-Maschinengewehr anstelle der früheren 7,62 mm-Waffen verwendet wurde. Außerdem stellte man fest, dass die Kanoniere zuerst angegriffen wurden, so dass Panzerungsblöcke um die Kanonierpositionen herum angebracht wurden.

Das zusätzliche Gewicht wurde jedoch nicht durch die neueren Motoren ausgeglichen, und die Il-4 erwies sich mit nur 404 km/h (251 mph) als langsamer als die früheren Versionen. Ein Versuch, die Leistung zu verbessern, wurde mit der Il-6 unternommen, indem große Dieselmotoren und eine schwerere Bewaffnung eingebaut wurden. Die Motoren erwiesen sich als unzuverlässig und die Produktion wurde nie aufgenommen. Die Il-4 blieb bis 1945 in Produktion, als etwas mehr als 5.200 Exemplare gebaut wurden.