Em 1938, o gabinete de design Ilyushin redesenhou o Ilyushin DB-3 para facilitar a produção e melhorar o seu desempenho, a versão revista recebendo a designação DB-3F (Forsirovanniye ou “boosted”). A estrutura interna da aeronave, particularmente as asas, foi amplamente alterada, eliminando a necessidade de acabamento manual da estrutura, e com duralumínio substituindo o uso em larga escala do aço na versão anterior. O sistema de combustível da aeronave foi redesenhado, aumentando a sua capacidade interna e reduzindo o número de tanques de combustível. O nariz da fuselagem foi alongado para dar mais espaço para o navegador/bombardier enquanto reduz o arrasto. O protótipo DB-3F, equipado com os mesmos motores Tumansky M-87B de 949 cv (708 kW) do DB-3M, foi pilotado no seu voo inaugural por Vladimir Kokkinaki em 21 de Maio de 1939. Passou com sucesso pelos testes de aceitação estaduais e entrou em produção em janeiro de 1940, com o Tumansky M-88 de 1.100 cv (820 kW), substituindo rapidamente o M-87. O DB-3F foi redesignado Il-4 em março de 1942. Algumas séries tinham asas exteriores de madeira e fuselagens frontais para conservar os metais e, durante toda a produção, os motores e tanques de combustível foram atualizados para melhorar o desempenho, mantendo a mesma faixa. No entanto, a mudança mais notável foi a adição de armas defensivas maiores na torre, usando a metralhadora UBT de 12,7 mm (0,5 pol.) no lugar das anteriores armas de 7,62 mm (0,3 pol.). Além disso, descobriu-se que os artilheiros foram atacados primeiro, portanto blocos de armadura foram colocados ao redor das posições dos artilheiros.

Este peso extra não foi compensado pelos motores mais recentes, e a Il-4 provou ser mais lenta do que as versões anteriores a apenas 404 km/h (251 mph). Foi feita uma tentativa de melhorar a performance como a Il-6, adicionando motores diesel grandes e armamento mais pesado. Os motores provaram não ser confiáveis e a produção nunca foi iniciada. A Il-4 permaneceu em produção até 1945, quando pouco mais de 5.200 tinham sido construídos.