Iljusjin konstruktionsbyrå omformade 1938 Iljusjin DB-3 för att underlätta produktionen och förbättra dess prestanda. Den omarbetade versionen fick beteckningen DB-3F (Forsirovanniye eller ”förstärkt”). Flygplanets inre struktur, särskilt vingarna, ändrades i stor utsträckning, vilket innebar att det inte längre var nödvändigt att handbearbeta strukturen och att duralumin ersatte den tidigare versionens storskaliga användning av stål. Flygplanets bränslesystem omkonstruerades, vilket ökade dess interna kapacitet samtidigt som antalet bränsletankar minskades. Skrovets nos förlängdes för att ge mer plats åt navigatorn/bombardören och samtidigt minska luftmotståndet. Prototypen DB-3F, som drevs av samma 949 hk (708 kW) Tumansky M-87B-motorer som DB-3M, piloterades på sin jungfruflygning av Vladimir Kokkinaki den 21 maj 1939. Den genomgick framgångsrikt de statliga godkännandetesterna och gick i produktion i januari 1940, där Tumansky M-88-motorn med 1 100 hk (820 kW) snabbt ersatte M-87-motorn. DB-3F fick i mars 1942 en ny beteckning Il-4. Vissa serier hade yttre vingar och främre skrov av trä för att spara metaller, och under hela produktionen uppgraderades motorer och bränsletankar för att förbättra prestandan samtidigt som samma räckvidd bibehölls. Den mest anmärkningsvärda förändringen var dock tillägget av större försvarskanoner i tornet, där man använde 12,7 mm (0,5 tum) UBT-maskinpistolen i stället för de tidigare 7,62 mm (0,3 tum) vapnen. Dessutom visade det sig att skyttarna attackerades först, så pansarblock placerades runt skyttelägena.

Denna extra vikt kompenserades dock inte av de nyare motorerna, och Il-4 visade sig vara långsammare än de tidigare versionerna med en hastighet på endast 404 km/h (251 mph). Ett försök att förbättra prestandan gjordes som Il-6 genom att lägga till stora dieselmotorer och tyngre beväpning. Motorerna visade sig vara opålitliga och produktionen påbörjades aldrig. Il-4 förblev i produktion fram till 1945, då drygt 5 200 hade byggts.