Начавшиеся испытательные полеты первых серийных экземпляров выявили их скрытые недостатки, в основном связанные с двигателем АМ-38. Прежде всего проявилось дросселирование двигателя, вызванное запаздыванием открытия заслонки на автомате отвечавшем за поступление воздуха в карбюратор, в результате чего количества воздуха не хватало для сгорания топлива в цилиндрах, а это в свою очередь приводило в остановке двигателя. Этот недостаток был настолько серьезен, что было лаже приостановлено производство до момента изобретения «устройства», которое обеспечило безаварийную работу заслонки. Сначала было изготовлено несколько таких механизмов, а после их испытаний они были запушены в серийное производство. После этого выявился новый недостаток, который состоял в заливании почти всего фюзеляжа самолета большим количеством вспененного масла во время полета с максимальной скоростью. Ввиду того, что этот изъян не влиял на функционирование самолета, его производство не останавливали, этот недостаток — хотя только в определенной мере — исправили несколько позднее. Завод постепенно набирал обороты, иллюстрацией чего может служить количество изготовленных самолетов: в апреле — 15, в мае — 74 и 159 шт. за двадцать два дня нюня. Всего до начала войны было изготовлено 249 Ил-2.
Эти первые серийные штурмовики в значительной степени отличались от своих прототипов. Основной причиной этого был как различный подход к изготовлению опытной машины для демонстрации и испытаний и серийного самолета для боевых частей, так и проблемы с массовым изготовлением штампованных бронекорпусов. Основным недостатком было худшее качество обработки поверхности и окраски, что вызывало падение скорости на 30–40 км/час. Ситуация, однако, не была такой тяжелой как в случае с истребителем ЛаГГ-3 (который относительно своего прототипа потерял более 50 км/ час скорости, да к тому же строился на фабриках мебели или таких где до этого производили У-2, в следствии чего часть собранных самолетов вообще не была пригодна к эксплуатации), но постоянно ухудшалась. Первые серии Ил-2 в 1941 г. отличались друг от друга в основном различными типами остекления задней части кабины, что было результатом использования различной брони — стальной или броневого стекла.
Самым тяжелым временем для ОКБ Ильюшина была августовская эвакуация из Москвы завода № 24. на котором изготавливались двигатели АМ-38. Это поставило Ильюшина в необычайно трудную ситуацию, единственным разумным выходом из которой была установка новой, находящейся пол рукой двигательной установки. Выбор пал на звездообразный двигатель М-82 мощностью 1675 кВт при 2500 об/мин и массе 870 кг изготавливавшийся на уральском заводе. На одном из серийных Ил-2 первых серии (лета 1941 г.) была отрезана передняя часть бронекорпуса. не доходя до центроплана. В освободившемся месте установили двигатель, его агрегаты и раму, которая выдвигала его несколько вперед, что было необходимо для сохранения центровки самолета. Пространство между двигателем и оставшимся бронированием закрыли не броневыми, а обычными листами металлической обшивки. Из того же материала выполнили и капот двигателя, который мало того что был не бронированным, но и крепился только к самому двигателю, и совершенно не был связан с остальной конструкцией фюзеляжа. Сам капот состоял из отдельных крышек-сегментов, его съемные части крепились на замках. Форма капота была максимально аэродинамичной, так что в профилях образующих его не было ни одной прямой линии, сужающимся к его передней части. В комплекте с двигателем был использован новый винт АВ-5В-160 того же диаметра как и предыдущие винты семейства ВИШ, т. е. 3,4 м, со специальным коком. Естественно, что в результате установки нового двигателя была модифицирована охлаждающая система, а радиаторы охлаждающей жидкости в фюзеляже упразднены.
Этот советский пилот сдался венгерским войскам после прилета в район южнее Харькова, летом 1941 г. Его Ил-2 имеет дополнительные усиливающие накладки на задней части фюзеляжи, которые в первое время устанавливались в ходе полевой модернизации. Красные звезды на фюзеляже имеют тонкую черную обводку.
Пара одноместных Ил-2 поздних серий, испытываемых Люфтваффе. Оба самолета имеют по три выхлопных патрубка на борту, такая их конфигурация редко встречалась на Ил-2. Большинство штурмовиков имели выхлопную систему с четырьмя патрубками.
Однако заборник воздуха (модифицированный и уменьшенный) над двигателем был сохранен, но теперь он служил для снабжения воздухом карбюратора. Маслорадиаторы остались на своем месте, что скорее всего было вызвано спешкой при переделке самолета. Воспользовавшись представившимся случаем, конструкторское бюро, изменило заодно и несколько других элементов самолета, в первую очередь кабину заднего стрелка. Необходимое для этого пространство было изыскано благодаря изъятию заднего бака, из-за которого было так много шума. Благодаря лому второй член экипажа был размешен в удобной, хорошо бронированной кабине, которая правда несколько ограничивала его возможности ведения огня из крупнокалиберного пулемета БТ имеющего боекомплект 280–300 патронов. Отсутствие заднего топливного бака компенсировали перекомпоновкой главного бака, который мало того, что был доведен до таких размеров, что вмешал на 84 л. бензина больше (724 л. вместо 640. к слову самолет брал 550 кг топлива и 50 кг масла, благодаря чему дальность увеличилась с 640 км до более чем 700 км), но к тому же была введена система заполнения его инертным газом от выхлопной системы двигателя, что повышало боевую живучесть. Все эти изменения были выполнены бессистемно и второпях, что привело ухудшению свойств самолета и ухудшению его характеристик. Например, максимальная скорость упала с 426 км/час до 396 км/час на той же высоте в 2500 м. Не нужно однако воспринимать эти данные как граничные значения параметров самолета. После модификации радиаторов охлаждения масла и при более тщательном изготовлении отдельных деталей, он мог бы скорее всего иметь характеристики лучшие чем серийные Ил-2 с двигателем АМ-38 изготовления 1942 г. Однако один из его основных недостатков (относительно версии с двигателем жидкостного охлаждения) — увеличение разбега на 30 % компенсировать бы не удалось.
Вариант Ил-2, оснащенный звездообразным двигателем воздушного охлаждения М-82, который известен как Ил-2 М-82/Ил-4. Позднее он послужил образцом для двухместного варианта Ил-2, задний стрелок был вооружен крупнокалиберным пулеметом Березина УБТ калибра 12,7 мм. Стойка радиоантенны перемещена с фюзеляжа на верх переплета задней части фонаря. Самолет был переделан из одноместного Ил-2 довоенной постройки и сохранил грузы весовой компенсации элеронов. Красные звезды на фюзеляже имели тонкую черную обводку.
Ил-2 М-82/Ил-4 установленный на козлы для испытания уборки основных стоек шасси, 16 сентября 1941 г. Двигатель М-82 приводил во вращение трехлопастной винт АВ-5-160. На Ил-4 был ликвидирован воздухозаборник на правом крыле.
Самолет Ил-2 М-82 был облетан, как и все предыдущие В.К.Коккинаки 8 сентября 1941 г. после чего подвергся интенсивным восьмидневным заводским испытаниям, в холе которых были устранены его основные недостатки. Машина была уже готова к государственным испытаниям, но 10 октября началась эвакуация завода и мысль об испытаниях пришлось оставить, тем более, что государственные учреждения Москвы так же начали переезжать в Куйбышев. В этой ситуации самолет был разобран и перевезен на Урал вместе с остальным оборудованием завода. Машина была предоставлена сама себе до того времени когда ситуация на фронте стабилизировалась и началось производство самолетов на новом месте. Только после того когда жизнь в Москве окончательно вошла в свою колею приступили к госиспытаниям Ил-2 М-82, которые успешно завершились в начале марта 1942 г. По их результатам было принято решение о запуске этого самолета в серийное производство (получившего к тому времени название Ил-4). Правда это решение было быстро отменено, т. к. более важным посчитали развертывание массового производства предыдущей модели с мотором АМ-38, которых к тому времени было уже достаточно, чем переход на новую модель с двигателем воздушного охлаждения.