Vuonna 1938 Iljushinin suunnittelutoimisto suunnitteli Iljushin DB-3:n uudelleen tuotannon helpottamiseksi ja suorituskyvyn parantamiseksi, ja uudistettu versio sai nimityksen DB-3F (Forsirovanniye eli ”tehostettu”). Lentokoneen sisäistä rakennetta, erityisesti siipiä, muutettiin laajalti, jolloin rakenteen käsin viimeistelyä ei enää tarvittu ja duralumiinilla korvattiin aiemmassa versiossa laajamittaisesti käytetty teräs. Lentokoneen polttoainejärjestelmä suunniteltiin uudelleen, jolloin sen sisäinen kapasiteetti kasvoi ja polttoainesäiliöiden määrä väheni. Rungon nokkaa pidennettiin, jotta navigaattorille/pommittajalle saatiin enemmän tilaa ja samalla vähennettiin ilmanvastusta. DB-3F:n prototyyppiä, jonka voimanlähteenä käytettiin samoja 949 hv (708 kW) Tumansky M-87B -moottoreita kuin DB-3M:ssä, lensi ensilennollaan Vladimir Kokkinaki 21. toukokuuta 1939. Se läpäisi menestyksekkäästi valtion hyväksymiskokeet ja siirtyi tuotantoon tammikuussa 1940, jolloin 1 100 hv (820 kW) Tumansky M-88 korvasi nopeasti M-87-moottorin. DB-3F nimettiin uudelleen Il-4:ksi maaliskuussa 1942. Joissakin sarjoissa oli puiset ulkosiivet ja eturungot metallien säästämiseksi, ja koko tuotannon ajan moottoreita ja polttoainesäiliöitä päivitettiin suorituskyvyn parantamiseksi samalla kun kantama säilyi samana. Merkittävin muutos oli kuitenkin suurempien puolustustykkien lisääminen torniin, jossa käytettiin 12,7 mm:n (0,5 tuuman) UBT-konekivääriä aikaisempien 7,62 mm:n (0,3 tuuman) aseiden sijasta. Lisäksi havaittiin, että tykkimiehet joutuivat ensimmäisinä hyökkäyksen kohteeksi, joten tykkimiesten paikkojen ympärille sijoitettiin panssarilohkoja.

Lisäpainoa eivät kuitenkaan kompensoineet uudemmat moottorit, ja Il-4 osoittautui aiempia versioita hitaammaksi, sillä sen nopeus oli vain 404 km/h. Suorituskykyä yritettiin parantaa Il-6:n muodossa lisäämällä siihen suuret dieselmoottorit ja raskaampi aseistus. Moottorit osoittautuivat epäluotettaviksi, eikä tuotantoa koskaan aloitettu. Il-4 säilyi tuotannossa vuoteen 1945 asti, jolloin sitä oli valmistettu hieman yli 5 200 kappaletta.