Производство самолетов ДБ-3 на трех авиазаводах показала, что конструкция чрезмерно сложна, а затраты времени на изготовления одной машины очень велики. Советский Союз в те годы не имел большого количества высокопрофессиональных рабочих. Особенно тяжело давалась сварка крыла.
В конце 30-х СССР не обладал достаточных опытом массовой постройки больших цельнометаллических самолетов. Конструктор Борис Лисунов был направлен для ознакомления с американскими достижениями в области самолетостроения на завод фирмы Дуглас в Санта-Монике, командировка продолжалась с ноября 1936 г. по декабрь 1939 г. Лисунов рекомендовал закупить лицензию на производство самолетов DC-3. Советские конструкторы внимательно изучили плазово-шаблонный метод, с помощью которого собирался DC-3. Использование плазово-шаблонного метода резко упрощало сборку при одновременном повышении ее качества. Американскую методику быстро приспособили под сборку ДБ-3.
Модернизированный ДБ-3 отличался от предшественника прежде всего конструкцией крыла и обводами носовой части фюзеляжа. Самолет получили обозначение ДБ-3Ф. в марте 1942 г. измененное на Ил-4.
Конструкция фюзеляжа ДБ-3Ф была адаптирована под использование плазово-шаблонного метода сборки. Большинство U-образных профилей заменили I-образными швеллерами, удалось резко сократить объем сварных работ, широко использованы штампованные детали.
Оригинальные сварные конструкции из труб оставлены на моторамах и еще в нескольких местах. Изменения в конструкции сократили трудозатраты на изготовление одного самолета с 30301 ч для ДБ-3М до 14331 ч у ДБ-3Ф.
Вместо десяти топливных баков было сделано шесть. Суммарный запас топлива составлял 3855 л, у ДБ-3Б - 2860 л. Теперь была предусмотрена возможность аварийного слива топлива в полете. На прототипе ДБ-3Ф стоял трехосный автопилот фирмы Сперри, но на большинстве серийных бомбардировщиков автопилоты не ставились.
Оснащенный двигателями М-88 прототип ДБ-3Ф на аэродромной стоянке, середина 1939 г. На прототипе стояла приплюснутая верхняя турель, как на ДБ-3М. Серийные ДБ-3Ф комплектовались полусферическими турелями. На прототипе имелась одна посадочная фара, па серийных самолетах – две.
Раскапотированный 14-цилиндровый двигатель М-88 самолета ДБ-3Ф. Мотор М-88 был ненадежным, его заменили двигателем М- 87Б. На снимке хорошо видны два круглых воздухозаборника маслорадиатора в носке крыла, типичные для прототипа и самолетов ранней постройки. Треугольные выштамповки на створках ниши шасси сделаны под колеса большего, чем на ДБ-3М диаметра.
Самым заметным внешним отличием стала измененная носовая форма фюзеляжа ДБ-3Ф. удлиненная с 14,22 м у ДБ-3М до 14.79 м на ДБ-3Ф. Резко была увеличена площадь остекления кабины штурмана. В днище кабины штурмана вместо металлического откидного люка был сделан прозрачный люк. На ДБ-3Ф никогда не монтировались зеркала заднего обзора, в то время как на переплетах козырьков кабин ДБ-3М зеркала порой ставились.
Размах крыла остался прежним - 21.44 м, но площадь увеличилась с 65,6 м² у ДБ-3 до 66,7 м² у ДБ-3Ф. Площадь крыла увеличена за счет увеличения площади закрылков. Один круглый воздухозаборник маслорадиатора в носках крыла каждой плоскости между фюзеляжем и мотогондолами заменен двумя, которые теперь располагались на внешних частях плоскостей. На ДБ-3 не было посадочной фары, на прототипе ДБ-3Ф посадочные фары поставили в носках правой и левой консолей крыла.
В состав экипажа ввели воздушного стрелка, которые отвечал за работу с верхней фюзеляжной стрелковой точкой. Стрелок-радист в случае нужды вел огонь из нижней люковой пулеметной установки. В кабине штурмана поставили второй, упрощенный, комплект органов управления самолетом.
Сложное и ненадежное шасси ДБ-3 на ДБ-3Ф в значительной степени упростили. Прочность стоек была усилена за счет внедрения Х-образных подкосов. Вместо гидравлики основные опоры шасси убирались и выпускались посредством пневмосистемы. Диаметр колес увеличен с 80 см до 100 см, установлены более эффективные тормоза колес. Размеры ниш шасси остались прежними, в створках ниш пришлось сделать выступы под колеса большего диаметра.
На ДБ-3Ф поставили новые двигатели М-88 взлетной мощностью 1100 л.с. Мотор М-88 представлял собой развитие конструкции двигателя М-87. Первый М-88 был готов в 1939 г. Виты ВИШ-3 заменили винтами ВИШ-23.
Изменениям подверглись капоты моторов - появились длинные верхние выхлопные патрубки. Передняя часть мотогондолы стала более конической, на основных панелях капота сделаны каплеобразные выступы.