Недостатки ДБ-3Ф, в марте 1942 года получившего наименование Ил-4, до конца изжить все же не удалось. Для выполнения задач в условиях противодействия авиации противника вооружения, состоящего из одного 12,7-мм пулемета УБТ на турели (до весны 1942 года 7,62-мм ШКАС) и еще одного ШКАС в нижней установке (не считая курсового пулемета штурмана), имеющему невысокую скорость бомбардировщику было недостаточно. Кроме того, недостаточной была устойчивость самолета в полете, отмечали летчики и сложность управления. Один из наиболее известных летчиков дальней авиации дважды Герой Советского Союза А. Молодчий вспоминал: «
И тем не менее Ил-4 до последних дней войны оставался основным типом дальнего бомбардировщика советских ВВС, не только наносившего бомбовые удары по Кенигсбергу, Данцигу, Берлину, Будапешту, Бухаресту, но и действующего в тактической глубине, осуществляя бомбардировки железнодорожных и авиаузлов, портов и других объектов.
Более тридцати летчиков, воевавших на Ил-4, стали Героями Советского Союза.
Широко применялся самолет и в авиации флота. Уже в 1937 году на базе бомбардировщика был создан торпедоносец ДБ-3Т, способный нести 940-килограммовую торпеду типа 45-36 и при этом сохранивший и возможность нести бомбовую нагрузку.
В этом же 1937 году был разработан и поплавковый вариант машины ДБ-3ТП. На испытаниях самолет показал хорошие летные данные, однако эксплуатация изначально «сухопутного» бомбардировщика сопровождалась рядом проблем – от неудобства подвески вооружения до попадания морской воды в бомбоотсек и люковую стрелковую установку. Кроме того, принятие на вооружение гидросамолета-торпедоносца требовало создания отдельной инфраструктуры обслуживания. В итоге было принято решение сосредоточить усилия на развитии морской авиации берегового базирования.
В 1940 году был начат выпуск торпедоносцев на основе модификации ДБ-3Ф, впоследствии именовавшихся Ил-4Т.
Именно летчики морской авиации уже через 1,5 месяца после начала войны осуществили первые бомбардировки территории Германии. 7 августа 1941 года 15 бомбардировщиков ДБ-3 из состава 1-го минно-торпедного авиационного полка (мтап) ВВС Балтийского флота под командованием полковника Е.Н. Преображенского совершили рейд к столице Рейха, в ходе которого нанесли удары по Берлину, Штеттину и Кенигсбергу.
В течение длительного времени Ил-4Т оставался основным, а до поступления на вооружение поставлявшегося по ленд-лизу Douglas А-20 фактически и единственным торпедоносцем советской морской авиации.
Всего в период с 1939 по 1945 год было выпущено около 6500 самолетов ДБ-3 и ДБ-3Ф (Ил-4).
На базе ДБ-3 и Ил-4 был создан и ряд проектов иного назначения. В 1938 году на испытания был передан самолет сопровождения ЦКБ-54, вооружение которого было усилено двумя 20-мм пушками ШВАК в носовой и турельной установках. Однако идея себя не оправдала – оказалось, что скорость самолета сопровождения ниже, чем бомбардировщика.
В 1938 году проходил испытания и десантный вариант ДБ-3.Под фюзеляжем самолета подвешивалась капсула Д-20, вмещавшая 10 десантников с полным оснащением и вооружением. Выброска осуществлялась через дверь в задней части капсулы. Отрабатывалась также транспортировка грузов до 1000 кг на специальной платформе с последующим сбросом на парашюте – в том числе 75-мм пушки и 120-мм миномета. Но несмотря на в целом успешные испытания, развития проект не получил. Тем не менее Илы – хотя и в сравнительном объеме – все же привлекались в годы войны к транспортным перевозкам с использованием подвесной платформы, на которой мог укрепляться мотоцикл или 45-мм пушка. Оборудованные таким образом самолеты выполняли задачи, в частности, снабжения партизанских отрядов.
