In 1938 herontwierp het Ilyushin ontwerpbureau de Ilyushin DB-3 om de productie te vergemakkelijken en de prestaties te verbeteren; de herziene versie kreeg de aanduiding DB-3F (Forsirovanniye of “opgepept”). De interne structuur van het vliegtuig, met name de vleugels, werd ingrijpend gewijzigd, waardoor het niet langer nodig was de structuur met de hand af te werken, en met duraluminium ter vervanging van het grootschalige gebruik van staal in de eerdere versie. Het brandstofsysteem van het vliegtuig werd opnieuw ontworpen, waarbij de interne capaciteit werd vergroot en het aantal brandstoftanks werd verminderd. De neus van de romp werd verlengd om meer ruimte te geven aan de navigator/bombardier en tegelijkertijd de luchtweerstand te verminderen. Het prototype DB-3F, aangedreven door dezelfde 949 pk (708 kW) Tumansky M-87B motoren van de DB-3M, werd op 21 mei 1939 tijdens zijn eerste vlucht bestuurd door Vladimir Kokkinaki. Hij doorstond met succes de staats acceptatie testen en kwam in productie in januari 1940, met de 1.100 pk (820 kW) Tumansky M-88 die snel de M-87 verving. De DB-3F werd omgedoopt tot Il-4 in maart 1942. Sommige series hadden houten buitenvleugels en voorste rompen om metalen te sparen, en gedurende de productie werden motoren en brandstoftanks geüpgraded voor betere prestaties met behoud van dezelfde actieradius. De meest opvallende verandering was echter de toevoeging van grotere afweerkanonnen in de geschutskoepel, waarbij het 12,7 mm (0,5 in) UBT machinegeweer werd gebruikt in plaats van de vroegere 7,62 mm (0,3 in) wapens. Bovendien bleek dat de schutters het eerst werden aangevallen, dus werden er blokken pantser rond de schutters posities geplaatst.
Dit extra gewicht werd echter niet gecompenseerd door de nieuwere motoren, en de Il-4 bleek langzamer te zijn dan de eerdere versies met slechts 404 km / h (251 mph). Een poging om de prestaties te verbeteren werd gedaan als de Il-6, met toevoeging van grote dieselmotoren en zwaardere bewapening. De motoren bleken onbetrouwbaar en de productie werd nooit gestart. De Il-4 bleef in productie tot 1945, toen er iets meer dan 5.200 waren gebouwd.