Alla fine del 1941 l'Ilyushin OKB iniziò i lavori per installare sull'aereo due cannoni da 37 mm ShFK-37. Queste armi erano però troppo massicce per essere alloggiate nelle ali e inoltre era necessario installare le scatole per le munizioni ad alta capacità. Così i cannoni vennero installati in due gondole sub-alari. Durante i test l'aereo raggiunse i 373 km/h a livello del mare e 409 km/h a 2.400 metri, mentre il peso saliva a 5.864. kg. La velocità di cabrata diminuiva di molto e la disposizione dei cannoni provocava un abbassamento del muso quando si faceva fuoco a causa del rinculo. I cannoni, inoltre, si rivelarono inaffidabili. Nel marzo-aprile 1943 i test ripresero con due cannoni NS-37 e con un motore AM-38F, mentre un sistema di alimentazione a nastro permetteva di fissare le armi direttamente sotto le ali. Ogni arma aveva 50 colpi e, se necessario, l'aereo era ancora in grado di trasportare 200 kg di bombe. Un piccolo contingente di Il-2-37 - come il modello venne designato - venne prodotto dalla Fabbrica nº 30 e iniziò i test operativi con il 208.ShAP durante la Battaglia di Kursk. Secondo quanto riportato dai piloti, le tecniche di manovra per la nuova versione non differivano da quelle impiegate per un bi-posto a pieno carico. Le gondole e la distribuzione di grandi masse nelle ali (un NS-37 con le munizioni pesava 237 kg) accrescevano l'inerzia del velivolo e lo rendeva meno manovrabile. Inoltre, il potente rinculo delle armi provocava difficoltà di mira, e facendo fuoco con un solo cannone alla volta l'aereo imbardava violentemente. Questo modello, pur risultando una macchina formidabile capace di distruggere perfino i carri Tigre, non fu tuttavia usato che in piccoli numeri.