Часть самолетов ДБ-3М оснастили бомбодержателями ДЕР-19 на нижней поверхности крыла. На держатель ДЕР-19 можно было подвесить до 250 кг бомб. Внешняя бомбовая нагрузка предусматривалась только для ближних рейдов - большая масса бомб компенсировалась меньшим запасом топлива.
На первых ДБ-3М отмечались проблемы с надежность двигателей М-87А. Более совершенный вариант мотора - М-87Б - появился в конце 1938 г. На М-87Б увеличили прочность шатунов и цилиндров, установили более надежные карбюраторы АК-87. Двигатели оснащались винтами ВИШ-3 с шайбами Р-2, угол шага лопастей на которых изменялся в пределах 22 град. Без шайб Р-2 лопасти могли устанавливаться только в одно из двух крайних положений. Воздухозаборники треугольного сечения карбюраторов на ДБ-3М с двигателями М-87А были такими же, как на ДБ-3Б. На ДБ-3М стояли воздухозаборники увеличенной площади с прямоугольным сечением.
По ходу серии в конструкцию ДБ-3М был внесен ряд изменений, в том числе установка трубки Вентури по правому борту ниже кабины пилота. Известны самолеты, у которых трубки Вент урн монтировались по левому борту. Часть самолетов получили мачты радиоантенн перед козырьками фонарей кабин. Антенна радиополукомпаса РПК-2 в каплеобразном обтекателе монтировалась перед мачтой радиоантенны. Иногда на переплете фонаря кабины монтировалось зеркало заднего обзора. На самолетах позднего выпуска ставились люковые пулеметные турели ЛюМВ-2.
В ходе эксплуатации выявились многочисленные дефекты самолета ДБ-3М: отсутствие обогрева кабины, выбивание масла, неудобное расположение ряда приборов и органов управления в кабине. В то же время, отмечались хорошие пилотажные качества машины: самолет легко входил в вираж, отличался стабильностью в горизонтальном полете, но на взлете и посадке из-за гироскопического момента, создаваемого воздушными винтами, самолет сильно тянуло вправо. Были отмечены случаи замерзания маслорадиаторов в полете, что приводило к перегреву двигателей, ситуация еще более осложнялась, если летчик во избежание перегрева открывал створки капотов. Следовало наоборот, полностью закрыть створки и убрать обороты моторов до 2000 об/мин. Если маслорадиаторы не отогревались, то экипажи ничего не оставалось как покинуть машину.
В декабре 1938 г. в Монино была проведена конференция, посвященная обмену опытом по эксплуатации бомбардировщиков в строевых частях. В конференции приняли участие представители трех воздушных армий. Главный вывод был сделан следующий: за два годы эксплуатации самолет ДБ-3 показал себя как полностью удовлетворяющий тактико-техническим требованиям, но в силу сложной конструкции трудный в эксплуатации. Особо выделялось большое количество производственных дефектов на самолетах, прежде всего в топливной системе и в конструкции шасси. Летом 1938 г. по причине поломок шасси пришлось списать три ДБ-3М.