Сборка ЦКБ-26 велась на опытном заводе ЦКБ - ГАЗ № 39 им. Менжинского (известный деятель международного рабочего движения, пламенный революционер, В.П. Менжинский руководил ОГПУ с 1923 по 1934 г.г.). Завод располагался на Ходынке. Сборка прототипа началась в июне 1934 г. 29 декабря 1934 г. состоялось заседание макетной комиссии по самолету. 1 июня 1935 г. прототип выкатили на летное поле Центрального аэродрома им. М.В. Фрунзе. Через несколько дней летчик-испытатель Владимир Коккинаки впервые поднял самолет в воздух.

Результаты летных испытаний оказались многообещающими. Самолет был устойчив в полете, мог летать без потери высоты при одном работающем двигателе, развивал максимальную скорость 330 км/ч на уровне моря и 390 км/ч на высоте 3250 м. Коккинаки продемонстрировал выдающиеся пилотажные характеристики машины. ЦКБ-26 стал первым советским бомбардировщиком, на котором была выполнена петля Нестеров.

После окончания первого этапа летных испытаний ЦКБ-26 продемонстрировали руководителям партии и правительства. 28 августа 1935 г. самолет осмотрели нарком обороны К.Е. Ворошилов и нарком тяжелой промышленности Г.К. Орджоникидзе. Наркомы отметили высокое качество отделки деревянных поверхностей, но лишний pas указали на необходимость освоения в серии цельнометаллической конструкции.

1 мая 1936 г. новейший самолет продемонстрирован на демонстрации в Москве в честь Дня международной солидарности трудящихся. Это был первый публичный показ бомбардировщика, а вечером 1 мая самолет осмотрел на Ходынке сам И.В. Сталин. Вождь тепло пообщался с Ильюшиным и Коккинаки. Товарищ Сталин отметил крайнюю необходимость скорейшего завершения программы испытаний ЦКБ-26 и запуска бомбардировщика в серийное производство.

Летом 1936 г. на ЦКБ-26 было установлено пять мировых полетов. 17 июля Коккинаки достиг высоты 11 294 м с нагрузкой массой 500 кг. Через девять дней ЦКБ-26 поднялся на высоту 11 402 м с нагрузкой массой 1000 кг. В августе Коккинаки улучшил оба рекорда: 12 816 м с грузом 500 кг (3 августа) и 12 101 м с грузом 1000 кг (21 августа). 7 сентября 1936 г. Коккинаки с грузом массой 2000 кг поднялся на высоту 11 005 м. 26 августа 1937 г. Коккинаки установил шестой мировой рекорд - расстояние по замкнутому маршруту длиной 5000 км с грузом массой 1000 кг было пройдено со средней скоростью 325,4 км/ч.

Шеф-пилот ОКБ С.В. Ильюшина Владимир Коккинаки позирует фотографу на фоне ЦКБ-26. Знаменитый летчик дал путевку в жить самолету ЦКБ-26, он стал первым советским летчиком, который выполнил на двухмоторном бомбардировщике петлю Нестерова. Коккинаки установил на ЦКБ-26 несколько мировых рекордов.

Параллельно с испытаниями ЦКБ-26 шли работы по более совершенному ЦКБ-30. ЦКБ-30 рассматривался как полноценный прототип серийного бомбардировщика. Самолет имел цельнометаллическую конструкцию, на нем было установлено оборонительное вооружение из трех пулеметов ШКАС калибра 7,62 мм и все положенное бомбардировочное оборудование. На ЦКБ-30 бомбы подвешивались на центральный держатель, а не на традиционные кассетные держатели, которые устанавливались на стенках бомбоотсека. Предусматривалась возможность монтажа под фюзеляжем трех дополнительных держателей. Два - на бимсах бомбоотсека, третий - на центральной позиции под фюзеляжем.

Первый полет на ЦКБ-30 Владимир Коккинаки выполнил 31 марта 1936 г., в день рождения С.В. Ильюшина. Программа заводских летных испытаний проходила в целом гладко, но была отмечена продольная неустойчивость самолет. Чтобы улучшить устойчивость пришлось увеличить площадь стабилизатора.

Самолет ЦКБ-30 предъявили на Государственные испытания, включавшие два этапа. ГИ начались в 1936 г. В ходе последнего этапа, который проходил с ноябре 1936 г. по май 1937 г. самолет летал как с колесным, так и с лыжным шасси. На Гос. испытаниях ЦКБ-30 показал максимальную скорость 400 км/ч, всего на 24 км/ч меньше чем у туполевского СБ. но по дальности полета в 4000 км бомбардировщик Ильюшина более чем в два раза превосходил СБ. Максимальная бомбовая нагрузка в 2900 кг у ЦКБ-30 была в пять раз больше чем у СБ (600 кг бомб на внутренней подвески). Оборонительное вооружение ЦКБ-39 имело более широкие сектора обстрела по сравнению с оборонительным вооружением СБ.

Испытания ЦКБ-30 выявили необходимость увеличения площади киля. Летчикам-испытателям не понравилось отсутствие двойного управления и триммеров элеронов. Другим слабым местом ЦКБ-30 являлась сложная конструкция механизмов уборки/выпуска шасси. Нарекания вызывала длительность заправки топливом.

Опыт боевого применения СБ в Испании был учтен в конструкции ЦКБ-30. Первые СБ появились в Испании в октябре 1936 г., когда шли заводские испытания ЦКБ-30. По результатам боевых действий военные стали настаивать на внедрении протестированных топливных баков и внутреннего переговорного устройства.

Несмотря на ряд недостатков, ЦКБ-30 посчитали очень перспективным самолетом. Решение о запуске бомбардировщика в серийное производства было принято в августе 1936 г., еще до завершения Государственных испытаний.

ГАЗ № 39 им. Менжинского начал подготовку к серийному производству бомбардировщика ДБ-3 в августе 1936 г. Первые восемь предсерийных ДБ-3 под обозначением ДБ-3С были переданы ВВС в конце 1936 г. Самолеты были полностью оснащены бомбардировочным вооружением, вооружены одним пулеметом ШКАС на носовой турели ТУР-8 и еще одним ШКАСом на кормовой турели МВ-3. Третий пулемет ШКАС на в люковой установке на ДБ-3С не монтировался, хотя такая возможность имелась. Десять топливных баков имели суммарную емкость 2860 л.

ДБ-3С несколько отличался от ЦКБ-26. Носовая часть фюзеляжа была удлинена на 52 см, в каждом борту было сделано по три иллюминатора. Общая длина ЦКБ-26 составляла 13,7 м, ДБ-3С - 14,22 м. В носовой части фюзеляжа добавился прозрачный верхний аварийный люк. Изменена форма козырька фонаря кабины илота, внедрен сдвижной колпак фонаря (на ЦКБ-26 кабина пилота выполнялась открытой). Удлинен гаргрот фонаря кабины. Выхлопные патрубки двигателей перенесены снизу на верх мотогондол. Размеры воздухозаборников карбюраторов двигателей на ДБ-3С уменьшены. В задней части фюзеляжа устроены иллюминаторы в районе места радиста (по два с каждого борта). Вместо костыля установлено хвостовое колесо.