W 1938 r. biuro konstrukcyjne Iljuszyna przeprojektowało samolot Iljuszyn DB-3, aby ułatwić produkcję i poprawić jego osiągi, zmieniona wersja otrzymała oznaczenie DB-3F (Forsirowannije lub „wzmocniony”). Wewnętrzna struktura samolotu, szczególnie skrzydeł, została gruntownie zmieniona, eliminując konieczność ręcznego wykańczania konstrukcji, a duraluminium zastąpiło stal stosowaną na szeroką skalę w poprzedniej wersji. Przeprojektowano układ paliwowy samolotu, zwiększając jego pojemność wewnętrzną i zmniejszając liczbę zbiorników paliwa. Przednia część kadłuba została wydłużona, aby zapewnić więcej miejsca dla nawigatora/bombardiera przy jednoczesnym zmniejszeniu oporów powietrza. Prototyp DB-3F, napędzany takimi samymi silnikami Tumansky M-87B o mocy 949 KM (708 kW) jak DB-3M, został pilotowany podczas pierwszego lotu przez Vladimira Kokkinaki 21 maja 1939 roku. Przeszedł on pomyślnie państwowe próby odbiorcze i wszedł do produkcji w styczniu 1940 r., przy czym Tumański M-88 o mocy 1100 KM (820 kW) szybko zastąpił M-87. W marcu 1942 r. DB-3F został przemianowany na Ił-4. Niektóre serie miały drewniane skrzydła zewnętrzne i przednie kadłuby, aby zaoszczędzić metale, a w trakcie produkcji silniki i zbiorniki paliwa były modernizowane w celu poprawy osiągów przy zachowaniu tego samego zasięgu. Jednak najbardziej zauważalną zmianą było dodanie większych działek obronnych w wieżyczce, używając karabinu maszynowego UBT 12,7 mm (0,5 cala) w miejsce wcześniejszej broni 7,62 mm (0,3 cala). Ponadto stwierdzono, że strzelcy byli atakowani jako pierwsi, więc wokół stanowisk strzelców umieszczono bloki pancerza.

Tego dodatkowego ciężaru nie zrównoważyły jednak nowsze silniki, a Ił-4 okazał się wolniejszy od wcześniejszych wersji, osiągając prędkość zaledwie 404 km/h (251 mph). Próbę poprawy osiągów podjęto w modelu Ił-6, dodając duże silniki Diesla i cięższe uzbrojenie. Silniki okazały się zawodne i produkcja nigdy nie została rozpoczęta. Ił-4 pozostawał w produkcji do 1945 roku, kiedy to zbudowano nieco ponad 5 200 egzemplarzy.