Внедряя в серийное производство самолет ДБ-3Ф, конструкторское бюро С. В. Ильюшина предполагало улучшить его скоростные и высотные характеристики установкой новых двигателей М-89, являвшихся дальнейшим развитием двигателей М-88, номинальная мощность которых на высоте 6000 м была увеличена до 956 кВт (1300 л. с.) благодаря повышению степени сжатия и наддува. С этими двигателями самолет ДБ-3Ф мог бы иметь на расчетной высоте максимальную скорость полета, равную 485...500 км/ч. Однако двигатели М-89 не были доведены до стадии серийного производства к июню 1941 г.

Начиная с 1939 г. сразу в нескольких опытно-конструкторских организациях, в том числе и в ОКБ С. В. Ильюшина, велись проектные работы по созданию нового дальнего бомбардировщика с максимальной скоростью полета на расчетной высоте, равной 550 км/ч, который должен был нести 1000 кг бомб во внутреннем бомбоотсеке при дальности полета 4000 км. Такое значительное улучшение скоростных данных дальнего бомбардировщика могло быть достигнуто в первую очередь установкой новых, более мощных двигателей и повышением аэродинамического совершенства самолета.

Работа над такими двигателями началась в 1938 г., когда перед конструкторскими коллективами В. Я Климова и А. А. Микулина была поставлена задача создать двигатели жидкостного охлаждения с взлетной мощностью 1324...1545 кВт (1800...2100 л. с.) и с номинальной мощностью 1103... 1250 кВт (1500...1700 л. с.) на расчетной высоте. Эта задача решалась добавлением к уже отработанной конструкции 12-цилиндровых двухблочных V-образных двигателей М-105 и АМ-35 третьего блока из шести цилиндров, который располагался под основными блоками цилиндров, образуя так называемую схему "игрек" (Y). Двигатель, разрабатывавшийся в конструкторском бюро В. Я. Климова, получил обозначение М-120, а создававшийся в ОКБ А. А. Микулина - АМ-36.

Двигатели, выполненные по схеме "игрек", позволяли конструктивно достаточно просто и быстро достичь заданной мощности, но они имели и существенные недостатки: большой мидель, увеличивавший их сопротивление в полете, и значительную массу. Поэтому параллельно с созданием двигателя АМ-36 конструкторское бюро А. А. Микулина работало над высотным 12-цилиндровым двигателем жидкостного охлаждения обычной V-образной схемы номинальной мощностью 1030... 1066 кВт (1400... 1450 л. с.) на высоте 5800 м. Главной особенностью двигателя АМ-37, который по своей конструктивной схеме был дальнейшим развитием двигателя АМ-35, являлось охлаждение перед подачей в цилиндры сжатого и нагретого воздуха, выходящего из приводного центробежного нагнетателя, что способствовало повышению КПД термодинамического цикла и увеличению мощности двигателя. Охлаждение этого воздуха должно было осуществляться в специальном водяном Радиаторе.

Под двигатели М-120 и АМ-37 и началось проектирование целого ряда опытных дальних бомбардировщиков, проводившееся в конструкторских коллективах В. Г. Ермолаева (ДБ-240), В. М. Мясищева (ДВБ-102), С. В. Ильюшина (ДБ-4) и А. Н. Туполева (103-Д), В специализированных конструкторских бюро для новых самолетов создавались усовершенствованные бомбардировочные прицелы, обеспечивавшие высокую точность бомбометания с больших высот при скоростях полета до 700 км/ч, а также более современное пилотажно-навигационное и радиосвязное оборудование. Благодаря большой скорости, совершенному оборудованию и увеличенной массе бомб, загружаемых во внутренние бомбоотсеки, эти дальние бомбардировщики должны были иметь значительно более высокую боевую эффективность по сравнению с самолетами ДБ-3Ф.

Проект самолета ДБ-4, который имел заводское обозначение ЦК.Б-56, разрабатывался под двигатели М-120, но уже на самой ранней стадии проектирования предусматривалась также возможность установки на самолете двигателей АМ-37, которыми из-за трудностей, встретившихся при создании М-120, и были оснащены опытные самолеты ДБ-4.

Необходимость оборудования в фюзеляже отсека для размещения бомб большой массы и стремление получить высокое аэродинамическое качество обусловили выбор для ДБ-4 схемы высокоплана е крылом умеренного удлинения. В результате возрастания до 13 000 кг максимальной полетной массы самолета ДБ-4 потребовалась установка крыла большей площади, чем у ДБ-3Ф, при сохранении удельной нагрузки на крыло, равной 150 кг/м2. Высокая крейсерская скорость полета и жесткие требования к взлетно-посадочным характеристикам определили компоновку крыла самолета ДБ-4 из различных по своим несущим свойствам аэродинамических профилей, имевших увеличенную относительную вогнутость на участке концевых частей крыла, что позволяло затянуть возникновение срыва потока до больших углов атаки, улучшить в этих условиях работу органов поперечного управления и повысить значение максимального коэффициента подъемной силы крыла.

Двигатели АМ-37 размещали под крылом в гондолах минимального миделя с очень чистыми аэродинамическими формами, что достигалось установкой водяных радиаторов системы охлаждения двигателей в хвостовых частях гондол, сразу же за отсеками основных опор самолета. Воздух для охлаждения радиаторов поступал через боковые щели по обеим сторонам гондолы двигателя. Пройдя через водорадиатор, он выходил наружу на конце гондолы двигателя через створки, регулировавшие степень продува радиатора и степень его охлаждения. Маслорадиаторы системы смазывания двигателей размещались в крыле за задним лонжероном. Охлаждающий воздух поступал к ним через те же, что и для водорадиатора, боковые щели, но выходил уже на верхнюю поверхность крыла Охлаждение воздуха, выходящего из приводного центробежного нагнетателя и поступающего в карбюратор двигателя АМ-37, осуществлялось в небольшом водорадиаторе, установленном вдоль переднего лонжерона крыла на участке между бортом фюзеляжа и гондолой двигателя.

Вертикальное оперение самолета ДБ-4 было выполнено двухкилевым, разнесенным по концам стабилизатора, что, как тогда считалось, обеспечивало более благоприятные условия для защиты самолета от атак вражеских истребителей со стороны задней полусферы. Кроме того, предполагалось, что разнесенное оперение вследствие эффекта концевых шайб и связанного с ним уменьшения индуктивного сопротивления повысит эффективность горизонтального оперения, а установка шайб вертикального оперения в струе воздушных винтов будет способствовать улучшению характеристик путевой устойчивости самолета. Результаты аэродинамических продувок показали, что на некоторых режимах полета (например, при отказе одного двигателя) разнесенное вертикальное оперение может оказаться неэффективным. И хотя ради лучшего обзора и обстрела задней полусферы оно было оставлено, но одновременно, по указанию С В Ильюшина, для ДБ-4 был разработан вариант оперения обычной однокилевой схемы.

Новое крыло и совокупность различных улучшений по местной аэродинамике самолета позволили достичь на самолете ДБ-4 более высокого значения величины максимального аэродинамического качества, которое стало равно 17 (вместо 15 на самолете ДБ-3). Вместе с большим запасом топлива, размещавшегося в консольных, центропланных и фюзеляжном протектированных баках, это Делало реальным достижение на самолете ДБ-4 заданной техническими требованиями дальности полета с нормальным бомбовым грузом.

Оборонительное вооружение самолета ДБ-4 сохранялось таким же, как на самолете ДБ-3Ф, и на первой опытной машине оно состояло из трех пулеметов ШКАС: переднего с боезапасом 500 патронов, верхнего заднего на турели МВ-3 с боезапасом 2000 патронов, который в серийном производстве предполагалось заменить установкой из двух спаренных пулеметов ШКАС, и нижнего люкового пулемета с боезапасом 500 патронов. Экипаж нового самолета (ДБ-4) был увеличен и состоял из четырех человек - летчика, штурмана, стрелка-радиста и воздушного стрелка, обслуживавшего нижний люковый пулемет. Необходимость включения воздушного стрелка в состав экипажа определил опыт советско-финляндской войны зимой 1939-1940 гг.

Первый полет самолета ДБ-4 состоялся 15 октября 1940 г. под у правлением летчика-испытателя В. К. Коккинаки. Испытания выявили два основных недостатка: малую путевую устойчивость нового самолета, особенно на небольших скоростях, и недостаточную жесткость его фюзеляжа на кручение из-за наличия в нем большого выреза под бомбоотсек. Оба недостатка были устранены увеличением площади вертикального оперения и установкой на наружной обшивке фюзеляжа четырех (по два с каждого борта) мощных лонжеронов из прессованного профиля корытообразного сечения. Изменения были внесены и в конструкцию второго опытного самолета ДБ-4, постройка которого была завершена в конце ноября 1940 г. Однако уже после первых полетов второго опытного самолета летные испытания ДБ-4 прекратили, так и не выявив полностью его летно-технических данных. Основными и более важными в то время направлениями деятельности немногочисленного коллектива ОКБ С. В. Ильюшина были работы по доводке и обеспечению серийного производства самолетов Ил-2 и ДБ-3Ф, а также по проектированию бронированного штурмовика ЦКБ-60. Кроме того, создание скоростного дальнего бомбардировщика посчитали завершенным после запуска в октябре 1940 г. в серийное производство самолета ДБ-240 (Ер-2), который, проходя государственные испытания с двигателями М-105, достиг скорости 500 км/ч и заданной дальности полета с нормальным бомбовым грузом.

Модификация	ДБ-4
Размах крыла, м	26.07
Длина, м	17.85
Высота, м	4.20
Площадь крыла, м2	83.00
Масса, кг
пустого самолета	7561
нормальная взлетная	10806
максимальная взлетная	13006
Тип двигателя	2 ПД АМ-37
Мощность, л.с.	2 х 1400
Максимальная скорость , км/ч
у земли	415
на высоте	500
Крейсерская скорость, км/ч	375
Практическая дальность, км	4000
Практический потолок, м	10000
Экипаж	3-4
Вооружение:	три-четыре 7.62-мм пулемета ШКАС бомбовая нагрузка нормальная - 1000 кг, предельная - 3000 кг.