Серийные самолеты оказались тяжелее опытных. Кроме изменений в технологии и усиления конструкции, это объяснялось еще и установкой дополнительного оборудования, вооружения. Например, Р-5 из второй серии (1931 г.) имел взлетный вес 2885 кг в варианте разведчика и 3084 кг в варианте бомбардировщика. Серийные машины 1933–1934 гг., соответственно, 2955 кг (разведчик) и 3247–3347 кг (бомбардировщик).

Двигатели М-17 первых серий были хуже немецких аналогов и имели меньшую мощность, что, кроме увеличения взлетного веса, заметно сказывалось на летных характеристиках. Скорость машин 2-й серии не превышала 218 км/ч у земли.

Характеристики Р-5 1933–1934 гг., несмотря на возросший вес, были немного лучше: у земли самолет развивал скорость 218 км/ч, на высоте 1000 м — 215 км/ч, на 3000 м — 208 км/ч, на 5000 м — 160 км/ч.

При полетном весе 2700 кг (без вооружения и дополнительного оборудования) максимальная скорость достигала 229 км/ч на высоте 3000 м.

Однако изменение весовых характеристик почти не отразилось на общем восприятии Р-5 летным составом. В изданном в 1937 г. учебнике по Р-5 для летных школ отмечалось, что в полете самолет устойчив на всех режимах, при взлетном весе до 2800 кг выполняет все фигуры высшего пилотажа, за исключением двойного переворота, за час набирает практический потолок 6150 м.

Первые серийные Р-5 проходили войсковые испытания в 1930 г. в Харьковской и 20-й авиабригадах в Белоруссии. Учебные бои с истребителем И-3 показали, что Р-5 может постоять за себя.

Ввиду предполагаемого резкого увеличения производства новых разведчиков в 1931 г. ВВС разработали план перевооружения на эти самолеты. В первую очередь во втором квартале Р-5 поставлялись в Московский, Белорусский, Ленинградский военные округа, в третьем квартале — в Северо-Кавказский округ, Отдельную Краснознаменную Дальневосточную армию Блюхера (ОКДВА). В 1932–1933 гг. Р-5 появились на вооружении ВВС всех округов, а к 1937 г. составляли значительную часть их самолетного парка. На 1 января 1933 г. в ВВС находилось 1235 Р-5. По состоянию на 1 июля 1938 г. в ВВС СССР насчитывалось 1021 Р-5, из них 124 в ВВС ОКДВА, 115 — в Киевском, 187 — в Ленинградском, 251 — в Белорусском военных округах.

Р-5 сравнительно долго находился в составе ВВС ВМФ:

1 января 1939 г. там имелась 261 машина, а 1 января 1941 г. — 92.

Начальник ВВС РККА Я. И. Алкснис имел свой личный Р-5 белого цвета, на котором совершал инспекционные полеты по авиационным гарнизонам.

Четвертого сентября 1930 г. три Р-5 без вооружения участвовали в перелете по маршруту Москва-Севастополь-Анкара-Тбилиси-Тегеран-Термез-Кабул-Ташкент-Оренбург-Москва. Целью перелета являлась проверка возможностей машины, демонстрация ее предполагаемым покупателям, прежде всего Турции.

В мае 1931 г. три специально подготовленных Р-5 участвовали в Международном конкурсе разведывательных машин в Иране и заняли там первое место, опередив самолеты Великобритании, Голландии, Франции. По результатам конкурса Иран закупил некоторое количество Р-5 для оснащения своих ВВС.

Кроме ВВС, Р-5 поступал со снятым вооружением в другие ведомства, заинтересованные в его использовании. С 1931 г. самолет под обозначением П-5 начал эксплуатироваться на линиях Гражданского воздушного флота для перевозки срочных грузов и почты.

В мае 1931 г. было принято решение организовать печать газеты «Правда» с матриц в день ее выхода в Москве в крупнейших промышленных центрах европейской части СССР и Урала, на следующий день — в Сибири, через день — на Дальнем Востоке. Для перевозки матриц была сформирована специальная эскадрилья особого назначения на самолетах П-5. Первые рейсы в Ленинград подтвердили возможность использования машин для этой цели. Затем были организованы рейсы в Киев, Харьков, Ростов, Свердловск, Омск, Иркутск, Владивосток.

С 1932 г. самолет начал использоваться для нужд геологии, геодезии, картографии, несколько экземпляров применялись в агитэскадрилье «Максим Горький».

Летом 1933 г. вышел из Мурманска пароход «Челюскин». Он должен был за одну навигацию по Северному морскому пути достичь Берингова пролива. В Чукотском море пароход затерло льдами, и начался его беспримерный дрейф. В феврале 1934 г., не выдержав сжатия мощных ледяных полей, «Челюскин» затонул. На льдине оказалось 104 человека. Для их спасения были посланы ледоколы, дирижабли, самолеты АНТ-4 и Р-5. Большую часть людей вывезли на Р-5. Он оказался более пригодным для данной спасательной экспедиции по летно-посадочным качествам. Летчики проявили большую изобретательность, ухитряясь вывозить на двухместном Р-5 за один рейс шесть человек. Для этой цели использовались подвешиваемые под плоскости ящики из-под парашютов, в которых размещали людей. Через два месяца спасательные работы были завершены.

16 апреля 1934 г. ЦИК СССР учредил звание Героя Советского Союза.

Первыми этого звания были удостоены за спасение челюскинцев летчики М. В. Водопьянов, И. В. Доронин, Н. П. Каманин, С. А. Леваневский, А. В. Ляпидевский, В. С. Молоков, М. Т. Слепнев.

Разработка модификаций Р-5 началась сразу после начала внедрения самолета в серию. Выше упоминалось задание на проектирование морского поплавкового варианта МР-5. Однако реорганизация опытного самолетостроения, проводившаяся в конце 1929-го — начале 1930 г., привела к тому, что проектирование началось только в 1930 г. на заводе № 39. Машина отличалась от прототипа (кроме поплавкового шасси) килем увеличенной площади для компенсации смещения центра давления, механизмом для запуска двигателя с воды, благодаря которому, стоя на поплавке, можно вставить ручку в специальное отверстие в борту фюзеляжа и провернуть вал мотора. Самолет был построен в 1931 г. и испытывался. При полетном весе 3294 кг он развивал максимальную скорость 208 км/ч и имел потолок 4500 м. Параллельно коллективом ОПО-3 (так в те годы обозначалось КБ Д. П. Григоровича) велась разработка морского разведчика МР-5 с тем же двигателем, выполненного по схеме «летающая лодка». Поэтому поплавковый МР-5 на базе Р-5 получил обозначение Р-5а. Мореходные качества МР-5 были выше Р-5а, но прочие характеристики — хуже. Как только это выяснилось, доводка МР-5 была прекращена, а Р-5а решили строить серийно. На проведение сравнительных оценок было потрачено сравнительно много времени. Поэтому решение о развертывании серийного производства на заводе № 1 было принято лишь в 1933 г. Хотя согласно оперативным планам еще в 1931 г. Р-5а (МР-5) предполагалось поставить для перевооружения авиационных частей Амурской военной флотилии и ОКДВА.

Головной экземпляр был построен в марте 1934 г. Всего за этот год завод построил 47 Р-5а (вместо 50 по плану) и еще 50 — в 1935 г. В январе 1936 г. в составе ВВС Тихоокеанского флота насчитывалось 14 Р-5а и 5 — в ВВС Балтийского флота.

Рост скоростей боевых самолетов привел к необходимости разработки средств механизации крыла — предкрылков, закрылков. В начале 30-х гг. крылья, оснащенные этими устройствами, назывались разрезными. Они позволяли снизить посадочную скорость или при той же посадочной скорости уменьшить площадь крыла и тем самым увеличить максимальную скорость полета. ВВС проявили большую заинтересованность в исследованиях и практическом использовании механизации крыла и в 1930 г. приняли соответствующие решения по этому вопросу. Предварительный проект был выполнен на заводе № 39 под общим руководством С. А. Кочеригина.

11 августа 1931 г. в кабинете начальника ЦАГИ Н. М. Харламова состоялось специальное совещание о мероприятиях по переводу серийного производства Р-5 на разрезные крылья. На нем присутствовал начальник 3-й бригады ЦКБ Н. Н. Поликарпов. По ряду причин в дальнейшем в этих работах Николай Николаевич участия не принимал, хотя и консультировал проектирование.