В боях на Халхин-Голі ДБ-3 не використовувались і наступні бойові вильоти вже були під час фінської кампанії. В перший день нападу, 20 листопада 1939 року, ДБ-3 з 1-го Балтійського флоту завдали ударів по порту в Гельсінкі, по берегових батареях на острові Ханко і по деяких інших цілях. З 20 грудня на фронт прибули ще 6-ї, 21-ї і 53-ї з ДБ-3, декілька інших полків мали змішаний авіапарк (СБ і ДБ-3), загалом проти Фінляндії діяли 180 ДБ-3. Спочатку ДБ-3 діяли невеликими групами, але в лютому 1940 року бомбардувальні нальоти стали масованими: 14 лютого 95 літаків бомбили Виборг, а 17 лютого 132 ДБ-3 бомбардували залізничний вузол Антреа. За час «Зимової війни» ВПС Радянського союзу втратили 74 ДБ-3, не враховуючи втрат морської авіації. На літаки намагалися встановлювати лижне шасі. Однак лижі постійно примерзали на стоянці і навіть при зупинках на старті, і від лижного шасі відмовилися. Фінські льотчики швидко виявили у ДБ-3 «мертву зону» знизу-ззаду, і для її ліквідації було необхідно встановлювати нижню люкову кулеметну установку.