En 1938, le bureau d’études Ilyushin a redessiné l’Ilyushin DB-3 pour faciliter sa production et améliorer ses performances, la version révisée recevant la désignation DB-3F (Forsirovanniye ou « boosté »). La structure interne de l’avion, en particulier les ailes, a été profondément modifiée, éliminant la nécessité d’une finition manuelle de la structure, et avec du duralumin remplaçant l’utilisation à grande échelle de l’acier dans la version précédente. Le système de carburant de l’avion a été redessiné, augmentant sa capacité interne tout en réduisant le nombre de réservoirs de carburant. Le nez du fuselage a été allongé pour donner plus de place au navigateur/bombardier tout en réduisant la traînée. Le prototype DB-3F, équipé des mêmes moteurs Tumansky M-87B de 949 ch (708 kW) que le DB-3M, a été piloté pour son vol inaugural par Vladimir Kokkinaki le 21 mai 1939. Il passa avec succès les tests d’acceptation de l’État et entra en production en janvier 1940, le M-88 de Tumansky de 1 100 ch (820 kW) remplaçant rapidement le M-87. Le DB-3F a été renommé Il-4 en mars 1942. Certaines séries avaient des ailes extérieures et des fuselages avant en bois pour économiser les métaux, et tout au long de la production, les moteurs et les réservoirs de carburant ont été modernisés pour améliorer les performances tout en conservant la même autonomie. Cependant, le changement le plus notable a été l’ajout de canons défensifs plus grands dans la tourelle, utilisant la mitrailleuse UBT de 12,7 mm (0,5 in) à la place des armes précédentes de 7,62 mm (0,3 in). En outre, il a été constaté que les artilleurs étaient attaqués en premier, de sorte que des blocs de blindage ont été placés autour des positions des artilleurs.

Ce poids supplémentaire n’a pas été compensé par les nouveaux moteurs cependant, et l’Il-4 s’est avéré être plus lent que les versions précédentes à seulement 404 km/h (251 mph). Une tentative d’améliorer les performances a été faite avec le Il-6, en ajoutant de gros moteurs diesel et un armement plus lourd. Les moteurs se sont avérés peu fiables et la production n’a jamais été lancée. L’Il-4 est resté en production jusqu’en 1945, alors qu’un peu plus de 5 200 appareils avaient été construits.