С.В. Ильюшин (в центре) с руководителями конструкторских групп ОКБ-39, 1937 г.
Вслед за постановлением Комитета Обороны «О внедрении в серийное производство модифицированных самолетов и создании новых самолетов в 1939–1940 годах типа бомбардировщиков, штурмовиков и разведчиков», в соответствии с приказом НКАП С.В. Ильюшина обязали выпустить на заводские испытания к 1 июля 1940 года дальний бомбардировщик ДБ-4. Самолет предписывалось построить с двумя моторами М-120 расчетной мощностью по 1500 л.с. на высоте 6000 м. Согласно заданию, первый экземпляр самолета должен был развивать скорость до 560 км/ч, подниматься на высоту 11 000 м и доставлять одну тонну бомб на расстояние до 4000 км.
Оборонительное вооружение: по одному пулемету ШКАС в носовой и люковой установках (боезапас по 500 патронов), УльтраШКАС (УШ) – в верхней фюзеляжной установке с 1500 патронами. Предусмотреть шкворневую установку с пулеметом БС вместо УШ.
Бомбовое вооружение допускало размещение на наружной подвеске по три бомбы калибра 250 и 500 кг или одной ФАБ-1000.
На второй машине запланировали установку двигателей М-120ТК с турбокомпрессорами, от чего высотноскоростные данные машины должны были возрасти. Работа считалась столь важной, что из плана ОКБ исключили почти все проекты, оставив только модификацию ДБ-3 в вариант «Ф» с моторами М-88 и штурмовик БШ-АМ-35 – будущий Ил-2. Затем в соответствии с апрельским 1940 года приказом НКАП на второй экземпляр ДБ-4 запланировали установку двигателей М-71 с надеждой поднять его в воздух не позднее середины июня 1940 года.
Рисунок бомбардировщика ДБ-4
Создание ДБ-4 считалось настолько важным, что предлагалось освободить Ильюшина от всех работ, кроме модификации ДБ-3 с двигателями М-88 и БШ с мотором АМ-35 (будущий Ил-2) до постройки ДБ-4.
ДБ-4 внешне очень напоминали самолеты «103» и ДВБ-102 – высокоплан с двухкилевым оперением, но их компоновка не является подражанием кому-либо, а определялась исходя из стоявших перед ними задач. В частности, благодаря высокому расположению крыла возросли габариты грузового отсека, позволявшие подвешивать бомбы калибра 1000 кг.
Возросшая скорость полета, несмотря на слабое оборонительное вооружение, снижала уязвимость бомбардировщика как от истребителей противника, так и от зенитной артиллерии.
Создатели ДБ-4 так и не дождались запланированных моторов, и на дальний бомбардировщик пришлось ставить менее мощные АМ-37, что и затянуло первый вылет машины до середины октября 1940 года. Но и здесь конструкторы столкнулись с трудностями. В ходе испытаний ДБ-4 обнаружились недостаточная путевая устойчивость и сильная вибрация. Устранить первый дефект удалось, заменив вертикальное оперение одним килем, а от тряски полностью так и не избавились. Вдобавок авиамоторный завод, выпускавший двигатели АМ-35А и АМ-37, перевели на выпуск двигателей АМ-38 для штурмовика Ил-2. Все это в совокупности и стало поводом для прекращения дальнейших работ по ДБ-4. Помешала доводке машины и начавшаяся война. Два опытных ДБ-4 перед эвакуацией промышленности на восток страны были уничтожены.