К ноябрю 1939 г. в ВВС КБФ МБР-2 находились на вооружении 10-й авиационной бригады, базировавшейся на морские аэродромы Прибалтики, а также 18-й, 41-й, 58-й омбраэ 12-го и 44-го отдельных авиационных отрядов, базировавшихся на гидроаэродромах в восточной части Финского залива и побережья Ладожского озера. Всего к началу боевых действий в частях насчитывалось 124 гидросамолета (из них 114 боеготовых). В задачи морской авиации входило уничтожение, во взаимодействии с другими силами флота, кораблей противника, блокада побережья Финляндии и обеспечение собственных морских коммуникаций.

С первых же дней войны и до конца конфликта МБР-2 вели воздушную разведку устья Финского залива и северной части Балтийского моря. Поскольку залив, естественно, замерз, то летали с сухопутных аэродромов, поставив гидросамолеты на лыжное шасси. Кроме того, летающие лодки активно привлекались для борьбы с финским судоходством и ударов по различным береговым объектам финнов, как днем, так и ночью.

В то же время война ясно показала, что МБР-2 уже не может быть основным флотским самолетом-разведчиком. Когда в январе-декабре потребовалось получить точные сведения о финских береговых батареях, защищавших приморские фланги «Линии Маннергейма», хорошо прикрытых зенитной артиллерией, выяснилось, что МБР-2 этого сделать не могут (прежде всего из-за малой скорости). Поэтому пришлось срочно устанавливать фотоаппараты на бомбардировщики СБ и наскоро обучать их экипажи основам тактики ведения воздушной разведки.

Еще одной задачей, возложенной на летающие лодки, стало спасение экипажей сбитых самолетов, с чем они справлялись вполне успешно. 2 февраля 1940 г. МБР-2 из 18-й омбраэ вывез в Ораниенбаум раненых летчика и стрелка-радиста бомбардировщика СБ, совершившего вынужденную посадку на лед после атаки финских истребителей между островами Соммерс и Нерва. Пилотировавший «амбарчик» капитан А.А. Губрий 21 апреля 1940 г. был удостоен звания Героя Советского Союза.

На Ладоге действовала 41-я морская ближнеразведывательная эскадрилья, располагавшая 8 МБР-2 (позже их число увеличилось до 13), и находившаяся в подчинении Ладожской военной флотилии. Перед самолетами эскадрильи была поставлена задача ведения разведки финских кораблей на озере (до параллели острова Валаам) и, кроме того, подавления батарей противника на острове Коневец. Позже задачи, поставленные перед эскадрильей, изменились. Поддерживая наступление частей 8-й армии, самолеты 41-й омбраэ приступили к нанесению бомбовых ударов по финским объектам на островах Мантсинсаари, Ристисаари, Валаам и Ковенец.

Столкновения «амбарчиков» с немногочисленными финскими истребителями были достаточно редкими, и куда больше, чем от финнов, МБР-2 досталось от своих же собственных истребителей. Упомянутая 41-я омбраэ по этой причине потеряла две машины. Всего с 30 ноября 1939 г. по 25 января 1940 г. ВВС КБФ потеряли 12 гидросамолетов МБР-2, из которых 3 числятся не вернувшимися с боевого задания по неизвестным причинам, а 9 разбились в авариях и катастрофах.

Гидросамолеты 118-го морского ближнеразведывательного авиационного полка Северного флота в «зимней войне» вели разведку коммуникаций до Тана-фьорда и Варангер-фьорда, разведку побережья Баренцева моря, обеспечение переброски войск морем в Петсамо, фотографирование финской территории, а также выполнение специальных заданий штаба флота, налетав в общей сложности 466 часов. Боевых столкновений у МБР-2 в Заполярье с финской авиацией не было из-за отсутствия у противника таковой на севере страны. Однако именно летающие лодки Северного флота понесли наибольшие потери в этой войне, когда зимой 1940 г. в загоревшемся из-за халатности одного из механиков ангаре погибло 14 самолетов МБР-2 (целая эскадрилья!).

Кроме флотских МБР-2 в боевых действиях приняли участие и МП-1 из Северного управления ГВФ, сведенные в Особую петрозаводскую авиагруппу. Причем один мобилизованный «амбарчик» (СССР-/12551) стал финским трофеем.

К началу Великой Отечественной войны в составе ВВС СФ насчитывалось 49 МБР-2 (из них 44 исправных), входивших в состав 118-го отдельного разведывательного авиационного полка (орап) и 49-й отдельной эскадрильи. 118-й орап, бывший основной разведывательной авиационной частью флота, имел 37 (32 исправных) гидросамолетов МБР-2 и семь (5 исправных) гидросамолетов ГСТ, базировавшихся на гидроаэродром в губе Грязная Кольского залива.

С началом войны самолеты полка начали ведение морской разведки в операционной зоне флота, однако очень скоро МБР-2 начали наносить бомбовые удары по наступавшим частям немецкого горнострелкового корпуса «Норвегия». Первый налет 29 июня 1941 г. пятерки гидросамолетов прошел успешно, но вот следующая тройка МБР-2 была перехвачена «мессершмиттами» и сбита. Из трех экипажей в живых остался только один, вынужденно посадивший свой гидросамолет в губе Титовка.

Кроме ведения разведки и нанесения ударов в интересах сухопутных войск, летом 1941 г. летчикам 118-го полка пришлось скрестить свое оружие с таким серьезным противником, как эсминцы немецкой 6-й флотилии, осуществивших несколько набеговых операций на советские прибрежные коммуникации.

13 июля гидросамолеты МБР-2 и ГСТ 118-го полка совершили 29 самолето-вылетов на поиск кораблей 6-й флотилии, потопивших в районе Териберки сторожевой корабль «Пассат» (мобилизованный рыболовный траулер «Валерий Чкалов») и спасательное судно РТ-67. Первыми на поиск противника вылетели 2 МБР-2 118-го орап, которые обнаружили немецкие корабли и сбросили на них несколько ФАБ-100. По докладу летчиков, восемь ФАБ-100 упали с перелетом в 10–20 м впереди головного эсминца Z10 «Hans Lody». Спустя час эсминцы были обнаружены еще одной парой МБР-2 из 2-го звена 2-й эскадрильи 118-го орап. Немцы продолжали отходить курсом на север. Из-за сложных метеоусловий (дождь и туман) удара по вражеским кораблям нанести не удалось. Кроме того, в этот день МБР-2 вылетали в бухту Гавриловскую для спасения экипажей потопленных судов и траулера «РТ-32», также входившего в состав разгромленного конвоя, которому удалось выброситься на берег. Собственные потери составили два «амбарчика».

Следующее столкновение МБР-2 118-го полка с немецкими эсминцами, вышедшими на свою третью набеговую операцию, произошло 22–24 июля. Скрытность противником была потеряна сразу после выхода в рейд, когда немецкие эсминцы были обнаружены в 95 милях к северу от Семи Островов воздушной разведкой Северного флота. Пара МБР-2 из 118-го омдрап атаковала противника, сбросив на него восемь бомб ФАБ-100. Отражая налет, немцы поставили дымовую завесу и начали маневрировать, поэтому атака успеха не имела. Ко всему прочему, воздушным разведчикам не удалось правильно определить элементы движения вражеских кораблей. 24 июля летающие лодки были подняты на поиск немцев, потопивших к тому времени в районе острова Харлов гидрографическое судно «Меридиан». Всего ВВС СФ совершили 28 самолето-вылетов на разведку и нанесение ударов по немецким эсминцам. В результате атаковать противника смогли 16 самолетов (8 МБР-2, 7 СБ, 1 Пе-2). Поскольку удары наносились с больших высот (до 2000 м МБР-2 и до 4000 м бомбардировщиками), то корабли противника понесли лишь незначительные повреждения. Как часто бывает в таких случаях, по возвращении летчики доложили о потоплении одного эсминца. Однако в действительности немцы потерь не имели. Впрочем, действия авиации заставили командира немецкой флотилии отказаться от продолжения похода и вернуться в базу. В свою очередь, с нашей стороны без потерь не обошлось, и в их числе были и «амбарчики». В полном составе погиб экипаж командира звена 2-й эскадрильи 118-го омдрап старшего лейтенанта В.В. Забродина. Еще один МБР-2 из-за аварии мотора, вследствие заводского дефекта, сделал вынужденную посадку в 2–3 милях севернее Териберки. Экипаж спасся на резиновой шлюпке и на следующий день прибыл в часть. Самолет еще через сутки нашли и отбуксировали в губу Грязная.