En 1938, la oficina de diseño de Ilyushin rediseñó el Ilyushin DB-3 para facilitar su producción y mejorar su rendimiento, recibiendo la versión revisada la designación DB-3F (Forsirovanniye o «impulsado»). La estructura interna del avión, en particular las alas, se modificó en gran medida, eliminando la necesidad de realizar el acabado a mano de la estructura, y con duraluminio sustituyendo el uso a gran escala del acero en la versión anterior. Se rediseñó el sistema de combustible del avión, aumentando su capacidad interna y reduciendo el número de depósitos. El morro del fuselaje se alargó para dar más espacio al navegador/bombardero y reducir la resistencia. El prototipo DB-3F, con los mismos motores Tumansky M-87B de 949 CV (708 kW) del DB-3M, fue pilotado en su primer vuelo por Vladimir Kokkinaki el 21 de mayo de 1939. Pasó con éxito las pruebas estatales de aceptación y entró en producción en enero de 1940, con el Tumansky M-88 de 1.100 CV (820 kW) que sustituyó rápidamente al M-87. El DB-3F fue rebautizado como Il-4 en marzo de 1942. Algunas series tenían las alas exteriores y los fuselajes delanteros de madera para conservar los metales, y a lo largo de la producción se mejoraron los motores y los depósitos de combustible para mejorar el rendimiento manteniendo la misma autonomía. Sin embargo, el cambio más notable fue la adición de armas defensivas más grandes en la torreta, utilizando la ametralladora UBT de 12,7 mm (0,5 pulgadas) en lugar de las anteriores armas de 7,62 mm (0,3 pulgadas). Además, se descubrió que los artilleros eran los primeros en ser atacados, por lo que se colocaron bloques de blindaje alrededor de las posiciones de los artilleros.

Sin embargo, este peso adicional no fue compensado por los nuevos motores, y el Il-4 resultó ser más lento que las versiones anteriores, con sólo 404 km/h (251 mph). Se intentó mejorar el rendimiento con el Il-6, añadiendo grandes motores diesel y un armamento más pesado. Los motores resultaron ser poco fiables y la producción nunca se inició. El Il-4 se mantuvo en producción hasta 1945, cuando se habían construido poco más de 5.200 unidades.