Полки ДБ-3 использовались в боевых вылетах против немецко-фашистских войск во время наступления на Москву, выполняя в основном тактические задачи. Экипажи 751-го БАП бомбардировали противника в районах Малоярославца, Ржева, Вязьмы и Ярцево. К 22 октября 1941 года в советских частях дальней авиации насчитывалось 439 бомбардировщиков, из которых 310 были ДБ-3. Полки продолжали добиваться успехов, атакуя скопления войск противника на дорогах и железнодорожных узлах. В результате правительственного постановления от 5 марта 1942 года полки ДБ-3 были реорганизованы, были переформированы в авиацию дальнего действия (АДД) под командованием генерала А.Г. Голованова.
В 3-м БАР некоторые варианты Ил-4 были усилены за счет установки крупнокалиберных пулеметов, которые прошли успешные испытания.
Отсеки стрелков были оборудованы бронещитами. Для сохранения дальности полета нормальный полетный вес четырехместной версии Ил-4 был увеличен до 9470 кг, а запас топлива был увеличен на 525 кг за счет использования двух внешних баков, подвешенных на бомбодержателях. Максимальная скорость снизилась на всех высотах от 5 до 10 км/ч, скороподъемность снизилась — все эти показатели сравнивались с прототипом, построенным в 1940 году. Эти характеристики считались удовлетворительными для ночных полетов, и, более того, дальность полета самолета по результатам испытаний оказалась равной 3800 км. Во время войны серийные самолеты оснащались двигателями М-88Б, которые имели ту же мощность, что и более ранние М-88, но были более надежными для дальних миссий. Ресурс двигателей составлял около 150 часов. Эвакуация моторного завода № 29, выпускавшего М-88Б, и некоторые трудности, связанные с их производством на новом месте, вызвали необходимость использования двигателей других типов. На авиазаводе в Комсомольске-на-Амуре летчик-испытатель Галицкий долгое время испытывал серийный Ил-4, оснащенный более мощными и более тяжелыми М-82. Масса самолета увеличилась до 8850 кг, что на 817 кг тяжелее прототипа, построенного в 1940 году, при тех же условиях загрузки. Максимальная скорость на уровне моря составляла 379 км/ч, а на высоте — 437 км/ч. Скороподъемность и практический потолок также возросли, но дальность полета сократилась до 2540 км. Однако все трудности с производством М-88Б в конечном итоге были преодолены, и серийное производство было возобновлено. Этот двигатель был более надежным, чем М-82, М-89 и М90. Бомбардировщики Ильюшина не понесли потерь на земле, поскольку Люфтваффе не совершало налетов на аэродромы в советском тылу. Утром 22 июня 1941 года генерал П. Жигарев поставил 3-му бомбардировочному авиакорпусу задачу уничтожить войска противника в районе Сувалкинского выступа. Первыми взлетели бомбардировщики 207-го БАП во главе с их командиром подполковником Г. Титовым. На следующий день ДБ-3 должны были нанести удар по Кенигсбергу, Данцигу и Варшаве. Впоследствии основные силы АДД были использовались против мотопехоты противника, прорвавшейся через линию фронта. ДБ3 понесли тяжелые потери. Например, 26 июня 1941 года 43 экипажа ДБ-3Ф не вернулись с задания. У бомбардировщиков вообще не было истребителей сопровождения, и поэтому им пришлось летать на малых высотах, где зенитный огонь был интенсивным. Немецкое командование отметило, что ДБ-3 был почти таким же быстрым, как СБ, но его было труднее сбить. Пилот был защищен бронированной спинкой, топливные баки были защищены аналогично, а самолет имел более прочную конструкцию и был более огнестойким. Важной задачей, возложенной на ДБ-3, была бомбардировка Берлина. Газета «Правда» сообщала в то время: «В ночь с 7 на 8 августа группа наших бомбардировщиков совершила разведывательный полет над немецкой территорией и сбросила зажигательные и фугасные бомбы на военные объекты в районе Берлина. В результате бомбардировки возникли пожары и наблюдались взрывы. Все наши бомбардировщики благополучно вернулись». Впоследствии выяснилось, что налет осуществляли ДБ-3Т 1-го полка под командованием полковника Е. Преображенского. С 12 августа ДБ-3Ф дальней авиационной группы под командованием майора В. Щелкунова начали вылеты на Берлин. Была сделана попытка увеличить бомбовую нагрузку (общая бомбовая нагрузка в первых полетах составляла 800 кг путем внешней подвески двух бомб ФАБ-500 или ФАБ-1000, но короткая взлетная полоса травяного аэродрома в Когуле и изношенные двигатели самолетов привели к катастрофе. Все последующие полеты выполнялись со стандартной нагрузкой 800 кг. 12 августа 1941 года противник обнаружил советские аэродромы и начал их бомбить. Кроме того, в инструкции № 34, выпущенной Гитлером в тот же день, в частности говорилось: «Наша авиация, насколько позволят условия, должна уничтожить военные авиабазы на островах Даго и Эзель. Очень важно уничтожить эти аэродромы, с которых можно совершать налеты на Берлин». Этот приказ еще раз продемонстрировал огромное психологическое значение, придаваемое миссиям ДБ-3 и ДБ-3Ф. К тому времени экипажи дальней авиации начали летать ночью, на больших высотах. С 10 июля по 30 сентября 1941 года ДБ-3Ф, пилотируемые экипажами Балтийского флота и Черноморского флота, наносили удары по целям в Кенигсберге, Данциге, Хельсинки, Варшаве и Констанце, они могли совершать длительный полет на одном двигателе с полетным весом до 9420 кг). ДБ-3Ф использовались до конца войны. К 1528 ДБ-3 были добавлены 5256 ДБ-3Ф. Наиболее отличившиеся летчики АДД, летающие на ДБ-3 были награждены во время войны высшими боевыми наградами, а С. Кретов, А. Молодчий, Е. Федоков, В. Осипов и П. Таран стали Героями Советского Союза. Штурманы и радисты-стрелки редко награждались, но штурман ИЛ-4 В. Сенько был дважды удостоен звания Героя Советского Союза.