Еще в ходе выпуска ДБ-3 2М-85 было признано необходимым дооснастить все самолеты люковыми пулеметами, увеличить их сектор обстрела по горизонту и ввести еще одного стрелка. Нужно было также устранить зависимость углов поворота оружия по скорости полета, а ШКАСы желательно было заменить более эффективными БТ.
В целях повышения боевой устойчивости соединений дальних бомбардировщиков, на базе ДБ-3 был спроектирован самолет сопровождения — без бомб, но с усиленным оборонительным вооружением. Весной 1938 года 2-й серийный ДБ-3 2М-85 выпуска завода № 18 был переоборудован. На нем установили новые турели с пушками ШВАК с боезапасом по 240 снарядов. Люковой шкворень заменили выносным ШКАСом в обтекателе под фюзеляжем, который мог вращаться на 240° по горизонту. Огонь велся с помощью перископического прицела, связанного с электромеханизмом поворота установки. Боекомплект составлял 800 патронов.
Испытания воздушного крейсера ЦКБ-54 проводил В.К.Коккинаки. Летные данные машины оказались недостаточными для эффективной поддержки группы бомбардировщиков — не хватало скорости для свободы маневра. Второй экземпляр ЦКБ-54, переоборудованный из серийного ДБ-3 2М-87 в 1939 году, имел тот же недостаток. Кроме того, резкие движения пулеметом вбок- вниз вызывали опасную раскачку машины. Из-за этого выносной ШКАС заменили двумя пулеметами в боковых окнах (по 210 патронов на каждый). Неустойчивость исчезла, но эффективность вооружения упала. От серийного выпуска «крейсера» было решено отказаться в пользу специализированных истребителей сопровождения.
В июле 1938 года на испытания вышел транспортно-десантный вариант самолета ДБ-3 2М-87. На подфюзеляжных бомбодержателях подвесили кабину Д-20 конструкции Привалова на 10 десантников. Производились опыты по сбросу с ДБ-3 пушек калибра 45 мм и 120-мм минометов. При этом самолеты не требовали значительных доработок и могли использоваться как бомбардировщики. Дело было лишь за выпуском комплектов спецоборудования — кабин, платформ, парашютов с авторасцепками Дорониных АРД-1, предотвращавшими протаскивание грузов после приземления.
Для моряков в 1938 году был создан вариант самолета с закрытым обогреваемым отсеком для торпеды. Он испытывался в июне того же года на Балтике. Закрытый отсек имел свои преимущества, однако же, была невозможна, например, подвеска коротких и толстых мин, да и большие конструктивные изменения повлекли бы за собой сложности в освоении его производства, а значит, неизбежно, — снижение темпа выпуска. Все это стало причиной отказа от этого варианта торпедоносца.
