Ранее говорилось, что бомбардировщик ДБ-3ф (Ил-4 с марта 1942 г.) благополучно прошел войну, оставаясь в строю до Победы. При этом модернизация машины не прекращалась до конца производства в 1945 г. Так, еще до нападения Германии на Советский Союз выяснилось, что используемые капоты моторов М-87Б или М-88 не позволяли в полной степени охлаждать цилиндры двигателей и их головки. В связи с этим ОКБ С.В. Ильюшина спроектировало капот с увеличенной площадью, обеспечивающий требуемый температурный режим и плавное, без срывов обтекание крыла за двигателем, что улучшило поведение самолета на разных режимах полета. Масляные радиаторы, ранее выступавшие в поток и ухудшавшие аэродинамику, стали располагаться вдоль переднего лонжерона без нарушения габаритов крыла.

Также перед войной конструкторы усовершенствовали оборонительное вооружение ДБ-3Ф. Применявшиеся с самого начала серийного производства бомбардировщиков верхняя стрелковая установка (СУ) и нижняя люковая (ЛУ) не соответствовали требованиях обороны 1941 г. Их заменили более современными стрелковыми установками МВ-3 и МВ-2 с пулеметами ШКАС, спроектированными для самолета Г.М. Можаровским и И.В. Веневидовым. Для повышения маневренности оружия в условиях воздушного боя с более скоростными, чем прежде, истребителями врага, верхнюю турель МВ-3 оснастили аэродинамическими компенсаторами. Это снижало усилия, необходимые для вращения турели и позволяло быстро осуществить наводку оружия на цель.

Большие размеры колпака турели МВ-3 улучшили обзор стрелка-радиста. Откинутый колпак, позволял стрелку-радисту беспрепятственно покинуть самолет при необходимости. В это время верхнюю и нижнюю турельную установку обслуживал один член экипажа – стрелок-радист. Перечисленные новшества были внедрены на серийном ДБ-3Ф, считавшемся эталоном для серии на вторую половину 1940 г. Его испытания показали высокие для своего времени летно-тактические данные: при полетном весе 8030 кг бомбардировщик развивал максимальную скорость 435 км/ч на 6800 м, а с нагрузкой 1000 кг бомб самолет имел крейсерскую дальность 3300 км. Подобные данные были не хуже, чем у серийного немецкого бомбардировщика того же назначения и выпуска Не 111Н.

С первых дней Великой Отечественной войны части дальнебомбардировочной и морской авиации, вооруженные самолетами ДБ-3 и их модификациями, вступили в сражение. Известно, что уже в ночь на 24 июня 1941 г. экипажи ДБА бомбили военно-промышленные объекты Данцига и Кёнигсберга. Со следующего дня они участвовали в налетах на аэродромы противника в Восточной Польше и Восточной Пруссии. Быстрое продвижение моторизованных колонн противника по нашей территории, вынудило широко использовать самолеты ДБ-3Ф для уничтожения бронетехники врага. Действуя на поле боя или в ближнем тылу врага, наши экипажи ДБА несли очень тяжелые потери. Стремление их снизить, привело к введению в состав экипажа еще одного стрелка; один человек при всем желании не мог обеспечить эффективную защиту при одновременной атаке сзади сверху и сзади снизу.  

Дальние рейды случались редко, в основном самолеты наносили ночные удары по объектам, расположенным в тактической полосе обороны противника, а также по железнодорожным узлам, портам, базам, аэродромам. Теперь по ним действовали самолеты, у которых верхнюю турель МВ-3 с пулеметом ШКАС заменили усовершенствованной турелью УТК-1 с крупнокалиберным пулеметом УБТ, созданной под руководством И.П. Шебанова. Рабочие места обоих стрелков оборудовали бронезащитой. Вместимость топливной системы самолетов увеличили на 525 кг благодаря подвеске двух внешних топливных баков. В результате нормальная полетная масса возросла до 9470 кг, максимальные скорости снизились на всех высотах на 5 – 13 км/ч, также сократились практический потолок и скороподъемность.

В данном варианте самолета сдвинулась назад полетная центровка, что ухудшило характеристики продольной статической устойчивости и управляемости. Эти характеристики удалось улучшить на самолетах, которые стали серийно выпускать с лета 1942 г. Теперь машины Ил-4 (ДБ-3Ф) получили новую отъемную часть крыла со «стрелкой» по передней кромке, переместившей полетную центровку вперед относительно средней аэродинамической хорды крыла. Отъемная часть крыла также получила новый аэродинамический профиль. При этом более толстый профиль отъемной части крыла и перекомпоновка самого крыла позволили установить в консоли три протектированных топливных бака вместо одного – запас горючего возрос на 1135 кг. Теперь с 1000 кг бомб на крейсерской скорости самолет мог пролететь 3585 км, хотя максимальная скорость снизилась до 404 км/ч на 6650 м.

Первые рейды на Берлин, начавшиеся 8 августа 1941 г. с участие ДБ-3 и ДБ-3Ф, широко известны. Менее известны дальние полеты, которые экипажи Ил-4 выполнили через год, в августе и сентябре 1942 г. Самолеты нанесли удары по Кенигсбергу, Данцигу, Берлину, Будапешту и Бухаресту. Полеты продолжались по 12 часов, летчики работали на пределе человеческих возможностей в силу отсутствия на большей части бомбардировщиков автопилотов и аэродинамических особенностей самолетов, имевших малые запасы устойчивости. Иными словами, весь полет летчик держал самолет в буквальном смысле на собственных руках. Часто на помощь летчикам приходили штурманы, но второй комплект органов управления, установленный у штурмана, не являлся полноценным и, кроме того, штурману надо было выполнять свои прямые обязанности при полете на большие расстояния.

Многим крупным операциям второго и третьего периода войны предшествовали массированные налеты бомбардировщиков Ил-4 из состава АДД на цели, расположенные в полосе направления главного удара. Нанося удар на небольшую дальность, экипажи несли до 2500 кг бомб на внешней и внутренней подвесках. Кроме обычных фугасных бомб разного калибра (от 50 до 500 кг), для Ил-4 относительно широко применялись специальные виды бомб: ротативно-рассеивающие, предназначенные для поражения открыто стоящих целей на большой плоскости, и авиабомбы МАБ-250 для поражения мостов. Нередко «ильюшины» использовались для ведения дальней разведки – машины обычно оборудовались дополнительными фотоустановками.

В авиации ВМФ самолеты Ил-4 нашли, пожалуй, наиболее широкое применение. Они использовались как бомбардировщики, дальние разведчики, минные заградители, высотные и низковысотные торпедоносцы. Обладая большой дальностью полета и относительно высокой крейсерской скоростью, экипажи за короткое время обследовали значительные участки поверхности моря, немедленно сообщая командованию данные об обстановке в заданном районе и обнаруженных целях, вызывая для атаки наиболее важных из них торпедоносцы (обычно самолет Ил-4Т нес одну торпеду). Ближе к концу войны Ил-4 в роли торпедоносцев заменили А-20 «Бостон»

Минные заградители Ил-4 обычно несли парашютные авиационные мины весом 500, 1000 кг или беспарашютные якорные мины. КБФ был единственным, чья авиация имела опыт минных постановок в реальных боевых условиях советско-финской войны. И это сказалось – уже 28 июня экипажи ВВС КБФ поставили первые мины в финских шхерах. Всего в 1941 г. авиация Балтики израсходована 108 мин. Отметим, что во всех отношения минно-заградительные операции нашей авиации на Балтийском море тогда отличались в лучшую сторону по сравнению с другими флотами. Чтобы потери при подрывах на минах не оказались значительными, противнику пришлось проводить неоднократные траления фарватеров, привлекать для патрулирования специальные самолеты, усилить посты наблюдения на берегу…