Осенью 1933 года Ильюшин внес предложение о постройке ближнего бомбардировщика с двигателями "Гном-Рон"14К. Самолет должен был стать альтернативой туполевскому цельнометаллическому СБ. В результате возник проект ЦКБ-26, уже имевший многие основные черты будущего ДБ-3. Главный упор делался на скорость полета. Крыло получило сравнительно небольшое удлинение, но со значительной нагрузкой. Другие конструктивные решения также были продиктованы стремлением до предела уменьшить аэродинамическое сопротивление: гладкая обшивка, узкий фюзеляж, развитые зализы на стыке фюзеляжа и крыла, убирающееся шасси. В итоге получился компактный, изящный и прочный самолет. Конструкция его была смешанной. ЦКБ-26 имел деревянные фюзеляж и киль при металлическом крыле и горизонтальном оперении.

Но СБ Туполева оказался весьма удачным и готовился к серийному производству, а даже расчетные летные данные ЦКБ-26 получались ниже, чем у уже летавшего СБ. Разработку ильюшинского ближнего бомбардировщика решено было прекратить.

Ильюшин принимает решение продолжать разработку ЦКБ-26, но уже в качестве дальнего бомбардировщика. Экономичные двигатели Gnome-Rhone позволяли существенно поднять дальность полета, а большая грузоподъемность самолета по сравнению с СБ - увеличить запас горючего. В июле 1935 года опытный ЦКБ-26 выкатили на летное поле. Машина оправдала надежды конструкторов, продемонстрировав высокие летные данные, хорошую маневренность и управляемость.

ДБ-2 (АНТ-37), спроектированный бригадой Сухого, вышел на испытания практически одновременно со своим соперником и по дальности полета значительно превзошел ЦКБ-26. Но ДБ-2 в серию не пошел по причине бафтинга хвостового оперения, тогда еще плохо изученного и трудноустранимого. Зато ЦКБ-26 продемонстрировал существенный перевес в крейсерской скорости, скороподъемности и маневренности по сравнению с ДБ-2.

Дальний бомбардировщик ЦКБ-30 отличался от своего предшественника цельнометаллическим фюзеляжем, длина которого была на полметра больше. На самолете смонтировали все штатное вооружение: три пулеметные установки ШКАС. Интересно была сделана верхняя турель. В походном положении она ненамного выступала из контуров фюзеляжа, но в рабочем верхняя часть экрана приподнималась на шарнирах. На самолете установили и бомбардировочное вооружение.

Длительное время ЦКБ-26 и ЦКБ-30 испытывались параллельно. При подготовке к первомайскому параду в апреле Коккинаки на ЦКБ-26 неожиданно сделал над Центральным аэродромом мертвую петлю, а затем подряд еще две. Эту фигуру высшего пилотажа до этого в нашей стране на двухмоторном самолете еще не делал никто. На это не были способны даже опытные многоместные истребители Туполева. Рекорд грузоподъемности ЦКБ-26 (500кг на высоту 11294м) был первым советским авиационным рекорд, официально зарегистрированный международной федерацией (ФАИ).

Пока ЦКБ-26 ставил рекорды, ЦКБ-30 в стремительном темпе проходил сперва заводские, а затем Государственные испытания. Результатом стало принятие нового бомбардировщика на вооружение ВВС РККА. Уступая туполевскому СБ по скорости всего на 8,5км/ч, а в практическом потолке на 500м, ильюшинский самолет превосходил его в дальности почти в два раза, а по максимальной боевой нагрузке - почти впятеро. Выше оценивалась и обороноспособность машины - за счет лучшего обзора и больших углов обстрела носовой и верхней установок. Испытателям понравились просторные кабины. Особо была отмечена простота пилотирования.

Дальность в 4000км при бомбовой нагрузке 1000кг от рубежа Киева позволяла накрыть всю территорию Германии и Италии. Из Благовещенска были доступны все цели на территории Кореи, из Хабаровска - почти вся Япония.

Серийные самолеты ДБ-3 выпускались с двигателями отечественного производства М-85 - аналогом французского "Гном-Рон" - а затем с двигателями М-86.

Выдающиеся характеристики нового советского самолета были подтверждены выполнением в 1938-1939 года двух дальних перелетов на модифицированном самолете ЦКБ-30 "Москва". Трансполярные перелеты экипажей Чкалова и Громова закрепили за Советским Союзом приоритет открытия воздушного пути из Москвы через Северный полюс в Америку. Однако обеспечить регулярные полеты самолетов по этому маршруту при том уровне развития авиационной техники оказалось невозможно. Это было связано прежде всего с относительно небольшой крейсерской высотой полета самолетов, что делало их зависимыми от погодных условий, особенно быстро изменяющихся в высоких арктических широтах. Для регулярных беспосадочных полетов из СССР в США и обратно более подходящим являлся кратчайший маршрут, соединявший Москву и Нью-Йорк по ортодромической дуге "большого круга" над Северной Атлантикой.

У серийного самолета ДБ-3 был доработан фонарь кабины штурмана, снято вооружение, а взамен него в бомбоотсеке и кабине стрелка установлены дополнительные топливные баки. В июне 1938 года экипаж Коккинаки-Бряндинский успешно выполнили тренировочный беспосадочный полет над территорией Советского Союза из Москвы в Хабаровск. А в апреле 1939 года самолет "Москва", пилотируемый Коккинаки и Гордиенко, менее чем за сутки перелетели из СССР в Америку. Для того времени это было выдающимся достижением.

К середине 1939 года в конструкцию самолета постепенно внесли множество изменений. Установили моторы М-87, изменили фонарь пилотской кабины, установили протектированные центропланные бензобаки, бронеспинки пилотского сидения и многое другое. Самолет неофициально называли ДБ-3Б.

Большим толчком для модернизации ДБ-3Б стала война с Финляндией. Наиболее важные изменения произошли в составе стрелкового вооружения. Обстрел не был круговым, имелись многочисленные мертвые зоны, средняя турель не поражала зону за оперением. Но самым уязвимым местом являлась нижняя точка - малоподвижная, с очень узким сектором обстрела и плохим обзором. Стали брать на борт четвертого члена экипажа - нижнего стрелка. Мертвую зону за хвостом закрыли пулеметом, монтировавшимся на 34-м шпангоуте и стрелявшим через ферму костыля. Более кардинальным решением стала замена турелей на более современные МВ-3 и МВ-2.

В августе 1941 года именно ДВ-3 совершили несколько рейдов с острова Саарема на бомбардировку Берлина.

Результатом следующей глубокой модификации стало появление широкоизвестного самолета ДБ-3Ф (Ил-4).