До конца 1941-го количество ДБ-3Ф неуклонно сокращалось, так как был эвакуирован основной завод по выпуску двигателей М-88, но затем ситуация стала выправляться. 1 марта 1942 года, когда была создана Авиация дальнего действия, пять ее дивизий из восьми были целиком вооружены ДБ-3Ф, кроме того, в состав ВВС входили и другие дивизии, имевшие эти самолеты. В том же месяце самолет получил новое обозначение – 26 марта 1942-го он был переименован в Ил-4.
В этом же году Ил-4 начали широко применяться в авиации флотов – там воевало 290 таких машин, в основном применявшихся в качестве торпедоносцев. На 1943 год в составе 18-й воздушной армии (так называлась Авиация дальнего действия с декабря 1942 года) воевали пять авиакорпусов, полностью оснащенных Ил-4. Они широко применялись во всех крупных боевых операциях – Сталинградской и Курской битвах, освобождении Крыма, Украины и Белоруссии, бомбили укрепления, порты, железнодорожные узлы и скопления техники в Румынии, Польше и Германии. С 1945-го самолеты снова применялись днем – советская авиация уже полностью доминировала во вражеском небе.
В мае 1945-го Ил-4 был вторым по численности после Ли-2 дальним бомбардировщиком советской авиации – в 18-й воздушной армии воевало 553 таких самолета. Ил-4 участвовали и в советско-японской войне 1945-го.
Некоторое количество таких самолетов было захвачено немцами в 1941-м в качестве трофеев. Четыре такие машины Германия в 1942 году передала Финляндии, и они летали с финскими опознавательными знаками до осени 1944-го, когда Финляндия перешла на сторону Антигитлеровской коалиции. После этого два финских ДБ-3Ф до начала 1945-го бомбили уже немцев.
Модификаций у самолета почти не было. На флоте с успехом применялись торпедоносцы Ил-4Т, которые могли нести торпеду весом до тонны. В 1943-м в единственном экземпляре был построен высотный разведчик Ил-4ТК с турбокомпрессором.
На протяжении всей войны Ил-4 являлись главной ударной силой советской дальней авиации. И все четыре года летчики мужественно боролись не только с противником, но и с многочисленными минусами своей машины. Летчик А.И. Молодчий вспоминал: