В 1938 году, продолжая работу по совершенствованию ДБ-3, улучшению его технических характеристик, а также снижению трудоемкости серийного производства, конструкторский коллектив бюро начал разработку новой версии, ДБ-3Ф. Самолет имел более плавные линии передней фюзеляжа, что значительно улучшило условия работы штурмана. Наиболее важные изменения коснулись планера; в основном крыла, которое было увеличено по площади и сделано немного тоньше. Изменения также были внесены в топливную систему и шасси. Эти изменения означали, что пришлось изменить почти весь технологический процесс производства. ДБ-3 был спроектирован в соответствии с производственными стандартами начала 1930-х годов, но к концу десятилетия уже было невозможно построить самолет, используя так называемый метод «вырезать и подогнать». Требовалось много трудоемкой работы, требующей манипуляций многокомпонентными стальными конструкциями, гибки листовых металлических деталей и сварки мелких соединений. Широко использовалась открытая двухсторонняя клепка. В результате было улучшено качество планера. Топливная система была упрощена за счет сокращения количества топливных баков с десяти до шести.
Механизмы уборки шасси были упрощены, а ход амортизатора был увеличен. 21 мая 1939 года летчик-испытатель Владимир Коккинаки выполнил первый полет ДБ-3Ф. После успешного завершения программы испытаний на производстве, 31 августа того же года начались его государственные испытания. ДБ-3Ф имел нормальный полетный вес 7660 кг, включая бомбовую нагрузку I000 кг в бомбоотсеке и полное оборонительное вооружение. Оснащенный двигателями М-87Б номинальной мощностью 950 л. с. (708 кВт), экспериментальный самолет имел максимальную скорость 445 км/ч на высоте 5400 м, а его максимальная дальность полета при общем весе 9780 кг со стандартной бомбовой нагрузкой 1000 кг составляла 3500 км. Взлетно-посадочные характеристики были значительно улучшены. Амортизация была мягче, а торможение было эффективнее, что улучшило руление. В результате государственных испытаний было отмечено, что ДБ-3Ф значительно лучше, чем ДБ-3, для выполнения задач по бомбардировке. Новый илюшинский фонарь кабины обеспечивал отличные условия работы штурмана, облегчая нахождение цели и ведение оборонительного огня. Серийное производство ОБ-3Ф уже началось с использованием нового двигателя М-88.
Главной особенностью этого двигателя было использование двухскоростного нагнетателя, что позволяло ему достигать 1000 л. с. (746 кВт) на высоте 6000 м. Первые полеты нового варианта, который уже был в серийном производстве, показали, что внутри старых капотов недостаточно места для новых двигателей, и были разработаны новые капоты с увеличенной площадью воздухозаборника. Однако двигатели не были полностью разработаны и имели много дефектов, и, как следствие, часто выходили из строя. Их поршни постоянно сгорали, а расход масла был чрезмерным, что вызывало большое количество выхлопного дыма.
В течении большого времени недостатки были устранены Был сделан важный шаг по усилению оборонительного вооружения ОБ-3Ф. Вместо пушек старого типа были установлены новые разработанные орудия, разработанные Г. Можаровским и И. Веневидовым. Они обладали превосходными свойствами как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях, обеспечивая быстрое прицеливание. Установка новых МБ снизила скорость и ДБ-3Ф теперь имел максимальную скорость 343 км/ч на уровне моря и 410 км/ч на высоте 6600 м. При полетном весе 8000 кг он достигал высоты 5000 м за 13,6 минут. В заключительном отчете об испытаниях ДБ-3Ф генерал Филин предположил, что некоторые из более ранних серийных самолетов могут быть перевооружены новым вооружением.
Внедрение передовых рабочих практик проходило с трудом во время серийного производства. В 1939-1940 годах общий годовой выпуск всех заводов составлял 1000 самолетов, но в первой половине 1941 года темпы несколько снизились. Тем не менее, бомбардировщики ДБ-3 и ДБ-3Ф составляли 86% советской дальней авиации накануне войны.
