1938-ban az Iljusin tervezőiroda a gyártás megkönnyítése és a teljesítmény javítása érdekében áttervezte az Iljusin DB-3-ast, az átdolgozott változat a DB-3F (Forsirovanniye vagy “felturbózott”) jelölést kapta. A repülőgép belső szerkezetét, különösen a szárnyakat, alaposan megváltoztatták, kiküszöbölve a szerkezet kézi megmunkálásának szükségességét, és a korábbi változatban nagymértékben használt acél helyett duralumíniumot alkalmaztak. A repülőgép üzemanyagrendszerét áttervezték, növelve annak belső kapacitását, miközben csökkentették az üzemanyagtartályok számát. A törzs orrát meghosszabbították, hogy nagyobb helyet biztosítsanak a navigátor/bombázó számára, miközben csökkentették a légellenállást. A DB-3F prototípust, amelyet ugyanazok a 949 lóerős (708 kW) Tumansky M-87B motorok hajtottak, mint a DB-3M-et, 1939. május 21-én Vladimir Kokkinaki vezette első repülésén. Sikeresen átment az állami átvételi teszteken, és 1940 januárjában került gyártásba, az M-87-est gyorsan felváltotta az 1100 lóerős (820 kW) Tumansky M-88-as. A DB-3F-et 1942 márciusában Il-4-re keresztelték át. Néhány széria külső szárnyai és elülső törzse fából készültek a fémek megtakarítása érdekében, és a gyártás során a motorokat és az üzemanyagtartályokat korszerűsítették a nagyobb teljesítmény érdekében, miközben a hatótávolság megmaradt. A legjelentősebb változás azonban az volt, hogy a toronyba nagyobb védőfegyvereket építettek be, a korábbi 7,62 mm-es (0,3 hüvelykes) fegyverek helyett a 12,7 mm-es (0,5 hüvelykes) UBT géppuskát használták. Ráadásul kiderült, hogy a tüzéreket támadják meg először, ezért páncéltömböket helyeztek el a tüzérségi pozíciók körül.

A többletsúlyt azonban nem ellensúlyozták az újabb motorok, és az Il-4 lassabbnak bizonyult a korábbi változatoknál, mindössze 404 km/h (251 mph) sebességgel. A teljesítmény javítására Il-6 néven tettek kísérletet, nagy dízelmotorokat és nehezebb fegyverzetet adtak hozzá. A motorok megbízhatatlannak bizonyultak, és a gyártás soha nem kezdődött meg. Az Il-4 1945-ig maradt gyártásban, amikor is alig több mint 5200 darabot gyártottak belőle.