Оборудование и вооружение Бе-12 постоянно совершенствовались. Так, в 1963–1964 гг. прошли испытания Бе-12ФС (изделие «ЕФС») с двигателями АИ-20ДК и Бе-12СК (изделие «ЕСК»), в состав вооружения которых входила ядерная глубинная бомба СК-1 «Скальп».

В 1968–1969 гг. предпринималась попытка оснастить Бе-12 новыми средствами поиска подводных лодок. Два серийных самолета (№ 8601102 и № 8601202) оборудовали аппаратурой «Гагара-1», позволяющей обнаруживать ПЛ по тепловому следу. Поисковая инфракрасная станция должна была отыскивать субмарины в подводном положении, используя тепловое излучение кильватерной струи лодки.

«Гагара-1» входила в перечень оборудования, которое должно было устанавливаться на самолет согласно ТТТ, но «застряла» на этапе испытаний, и в строевые части самолеты Бе-12 пошли без нее. При установке станции «Гагара-1» с самолетов сняли радиокомпас АРК-У2, гиродатчик АГД-1 заменили на гировертикаль ЦГВ-10. Для приемной головки станции в днище лодки за грузовым отсеком вырезался специальный люк. Обслуживание аппаратуры в полете производилось как штатным штурманом, так и дополнительным оператором, для которого в штурманской кабине оборудовалось рабочее место. Доработка самолетов происходила в филиале Евпаторийского авиаремонтного завода в г. Саки (Крым).

Первый доработанный самолет передали для проведения войсковых испытаний в 403-й отдельный противолодочный авиационный полк (оплап) на Севере. Затем Бе-12 с «Гагарой» летали на Дальнем Востоке, над Черным морем и даже побывали в Средиземноморье, базируясь в 1970 г. в Египте.

Результаты всех испытаний «Гагары-1» разочаровали авиаторов. Ее способность обнаруживать подводные лодки сильно зависела от температуры морской воды. Если на Севере станция позволяла четко отслеживать лодку, то в Черном море результаты слежения были уже неоднозначными, а над Средиземным морем уверенно можно было определить только момент прохождения береговой черты. Поэтому на вооружение «Гагару-1» так и не приняли, но работы по совершенствованию инфракрасной поисковой аппаратуры продолжили.

С 1973 г. на вооружение стали поступать буи РГБ-НМ1 «Жетон», способные принимать низкочастотные шумы, лучше распространяющиеся в воде. Это повысило дальности обнаружения подводных лодок.

В 70-х годах проводились опытные работы по исследованию возможности дозаправки Бе-12 в воздухе с использованием системы «штанга-конус». Одну из амфибий оборудовали макетом заправочной штанги, установленной над кабиной штурмана. Роль заправщика играл Ан-12, оснащенный выпускаемым 50-метровым шлангом с конусом. Испытания проводились на базе ЛИИ в Жуковском, самолет пилотировали летчики-испытатели ОКБ В.Г. Панькин и Е.А. Лахмостов.

В апреле 1976 г. приняли на вооружение модифицированные Бе-12Н (изделие «ЕН»), на которых установили усовершенствованную поисково-прицельную систему. В ее состав вошли: авиационный магнитометр АМП-73С, доработанная РЛС «Инициатива-2БН», многоканальное унифицированное приемное устройство «Нара», прицельно-вычислительное устройство «Нарцисс» с анализатором цели.

Дополнительно к буям РГБ-Н на самолет стали подвешивать десять пассивных направленных буев РГБ-2 системы «Беркут», которые обеспечивали измерение пеленгов на подводную лодку относительно буя. В этот вариант серийные машины дорабатывались при прохождении капитального ремонта. Всего на Евпаторийском АРЗ было переоборудовано в Бе-12Н 27 самолетов. Магнитометр АМП-73С и ПВУ «Нарцисс» испытывались на серийных Бе-12, имевших № 6600602 и № 7600901 соответственно.

В 1981 г. четыре самолета Бе-12 (№№ 9601701, 0601801—0601803) были поставлены во Вьетнам. Планер, двигатели и оборудование соответствующим образом дорабатывались для эксплуатации в условиях тропиков. Самолеты не перегонялись своим ходом, а были доставлены морем из Одессы в Камрань.

Бе-12 (№ 0601904) был переоборудован на 20 АРЗ в городе Пушкин в летающую лабораторию для отработки головки самонаведения противокорабельной ракеты ЗМ-80 «Москит». При этом головная часть ракеты была установлена вместо РЛС «Инициатива». Остальное оборудование и рабочие места для трех операторов разместились на месте бывшего грузового отсека.

В 1983 г. один самолет был оснащен опытным образцом авиационного тепловизора «Наблюдатель», предназначенного для обнаружения кильватерных следов надводных кораблей и подводных лодок (в подводном и надводном положениях). Бе-12 с «Наблюдателем» летал в Таганроге, Геленджике и Феодосии, и если с обнаружением кильватерного следа кораблей все было в порядке, то в случае с погруженной подводной лодкой повторилась история с «Гагарой». Получения четкого контакта с подводной целью от аппаратуры добиться так и не удалось.

На Бе-12 установили 42 официально зарегистрированных международных рекорда. В документах FAI машина была заявлена как М-12.

Первые два Бе-12 поступили в 33-й Учебный центр авиации ВМФ в Николаеве весной 1964 г., где развернулось переучивание летно-технического состава на новую машину (летали амфибии с грунтового аэродрома 555-го противолодочного смешанного авиаполка в Очакове).

Первыми в июле-августе 1965 г. Бе-12 получил 318-й оплап дц Черноморского флота (полностью переучивание закончилось в апреле 1968 г.). В 1967 г. самолет освоили летчики отдельной противолодочной эскадрильи авиации ТОФ, а в 1968 г. 403-го отдельного противолодочного полка авиации СФ. В марте 1970 г. последней в Авиации ВМФ переучилась на Бе-12 17-я отдельная противолодочная авиационная эскадрилья дальнего действия Балтийского флота.

С началом массового переучивания начались проблемы с РЛС «Инициатива». У нее рвались волноводы, в результате чего станция большую часть времени была «не в строю». Разработчики «Инициативы» весьма упорно и энергично перекладывали всю ответственность на ОКБ-49, считая, что корень всех зол кроется в конструкции самолета. Для принятия окончательного решения все заинтересованные лица собрались на базе в 555-го оплап в Очакове.

Для радиоинженеров полеты Бе-12 с грунта, а не с обычной бетонной полосы оказались настоящим потрясением. На вопрос: «Почему это летчики так грубо садятся?» — присутствующие офицеры ответили, что садятся вполне нормально, а если и есть какие-то огрехи, так, во-первых, полоса грунтовая, а во-вторых, люди переучиваются. После этого претензии к конструкции планера сняли, а «Инициативу» общими усилиями довели «до ума», усилив раму и усовершенствовав ее амортизацию.

Новый самолет неоднократно демонстрировался на различных парадах и выставках. 9 июля 1967 г. на юбилейном воздушном празднике в Домодедово, посвященном 50-летию Великой Октябрьской социалистической революции была показана тройка самолетов-амфибий Бе-12. Ведущим группы был полковник Б.В. Жидецкий.

На одном из парадов произошел случай, чудом не повлекший трагических последствий. Над Тушино в день ВМФ над правительственной трибуной пролетали 12 самолетов-амфибий Бе-12 (четыре тройки). В этот момент один из самолетов третьей тройки столкнулся с птицей, разбившей лобовое стекло. Ранив летчиков, останки несчастного пернатого задели тумблеры панели центрального пульта управления. Летчики, придя в себя, сумели восстановить положение тумблеров и удержаться в строю. Только заходя на посадку, они попросили разрешения выйти из строя и сесть отдельно…