În 1938, biroul de proiectare Ilyushin a reproiectat Ilyushin DB-3 pentru a ușura producția și a-i îmbunătăți performanțele, versiunea revizuită primind denumirea DB-3F (Forsirovanniye sau „boosted”). Structura internă a aeronavei, în special a aripilor, a fost modificată în profunzime, eliminându-se necesitatea finisării manuale a structurii, iar duraluminiul a înlocuit utilizarea pe scară largă a oțelului din versiunea anterioară. Sistemul de alimentare cu combustibil al aeronavei a fost reproiectat, crescând capacitatea sa internă și reducând în același timp numărul de rezervoare de combustibil. Botul fuselajului a fost alungit pentru a oferi mai mult spațiu pentru navigator/bombardier, reducând în același timp rezistența la înaintare. Prototipul DB-3F, propulsat de aceleași motoare Tumansky M-87B de 949 CP (708 kW) ca și DB-3M, a fost pilotat în zborul său inaugural de Vladimir Kokkinaki la 21 mai 1939. A trecut cu succes de testele de acceptare de stat și a intrat în producție în ianuarie 1940, cu motorul Tumansky M-88 de 1.100 CP (820 kW) care a înlocuit rapid M-87. DB-3F a fost redenumit Il-4 în martie 1942. Unele serii au avut aripile exterioare și fuselajele frontale din lemn pentru a conserva metalele, iar pe parcursul producției, motoarele și rezervoarele de combustibil au fost modernizate pentru îmbunătățirea performanțelor, păstrând în același timp aceeași autonomie. Cu toate acestea, cea mai notabilă schimbare a fost adăugarea unor tunuri defensive mai mari în turelă, folosind mitraliera UBT de 12,7 mm (0,5 in) în locul armelor anterioare de 7,62 mm (0,3 in). În plus, s-a constatat că artileriștii erau atacați primii, așa că au fost amplasate blocuri de blindaj în jurul pozițiilor artileristului.

Această greutate suplimentară nu a fost însă compensată de noile motoare, iar Il-4 s-a dovedit a fi mai lent decât versiunile anterioare, cu doar 404 km/h (251 mph). O încercare de îmbunătățire a performanțelor a fost făcută ca Il-6, adăugând motoare diesel mari și armament mai greu. Motoarele s-au dovedit a fi nesigure și producția nu a fost demarată niciodată. Il-4 a rămas în producție până în 1945, când au fost construite puțin peste 5.200.

.