5月21日首飞。1940年通过国家定型量产。量产型号换装了图曼斯基M-88发动机，1100马力，替换了DB-3M使用的950马力的M-87B发动机。在苏德战争初期本机开始轰炸德国，虽然机体不算巨大和载弹不多，但胜在航程较远。可是起初因为苏联缺乏远航战斗机护航，而令本机损失惨重，加上德军破坏了伊留申飞机厂和供应铝材的工厂后，被撤退到偏远的西伯利亚生产，部分飞机的外翼段和机身的分段採用木材制造，增加装甲板覆盖的区域；使用12.7毫米机枪替换了7.62毫米航空机枪，增加了射手围护装甲，1942年3月DB-3F