30 октября 1957 года на вертолете Ми-6 во время испытательного полета был установлен первый мировой рекорд. Груз в 12 тонн поднят на высоту 2432 метра. Это в два раза больше того, что смогли показать американцы на своем самом большом в то время вертолете Сикорского S-56. Позже (в сентябре 1962 г.) на вертолете Ми-8 был поднят еще больший груз — 20,1 тонна на высоту 2738 метров.

Зарубежная авиационная пресса воспринимает сообщение о первом рекорде Ми-6 как сенсацию.

В журнале «Ньюслеттер» Американского вертолетного общества появляется статья западного специалиста в области винтокрылых аппаратов Л. Р. Лукасена, который, сопоставляя достижения в области вертолетостроения западных стран и Советского Союза, констатирует, что «новый русский гигант Ми-6 может поднять любой самый большой западный вертолет с полной нагрузкой». Он высказал мнение, что русские в области создания тяжелых вертолетов на много лет опередили Запад. В течение 12 лет вертолет Ми-6 носит титул самого большого вертолета мира, который он уступил только в 1969 году своему же собрату, вертолету В-12, а в 1977 году — Ми-26.

По результатам заводских испытаний проводятся необходимые доработки вертолета. Вместо двигателя ТВ-2В, с которым проходили испытания опытные вертолеты, ОКБ П. А. Соловьева создает новый двигатель Д-25В с той же мощностью, но построенный на основе второго каскада внутреннего контура самолетного газотурбинного двигателя Д-20П. Двигатель Д-25В имел меньшую длину и примерно на 350 кг меньший вес, но несколько больший расход топлива.

В июле 1959 года начались совместные испытания вертолета Государственным комитетом авиационной техники и ВВС. В октябре закончился их первый этап — этап главного конструктора. По рекомендации заказчика вертолет Ми-6 так же, как в свое время вертолет Ми-4, до окончания государственных испытаний в конце 1959 г. запускается в серийное производство. Для этого был выделен Ростовский завод. Началось серийное производство вертолетов и их эксплуатация в частях ВВС. Одновременно продолжаются государственные испытания. Эти испытания оканчиваются только в 1963 году, и вертолет принимается на вооружение.

Параллельно с испытаниями вертолета Ми-6 и его серийным производством продолжаются доводки вертолета.

В процессе этих работ лопастям несущего винта трапециевидной формы в плане с лонжероном, состыкованным из нескольких труб, пришли на смену лопасти прямоугольной формы с лонжероном из одной цельной трубы переменного сечения и с переменной толщиной стенки. Постоянно совершенствуется технология изготовления этой трубы, главным образом в направлении увеличения ее динамической прочности. Вводится механический наклеп ее наружной поверхности и дробеструйный наклеп внутренней поверхности. Совершенствуются средства контроля, улучшаются антикоррозионные покрытия. В результате создается конструкция лонжерона, не требующая ограничений по ресурсу. В конструкцию хвостовых частей отсеков каркаса был введен сотовый заполнитель. Все это привело к повышению динамической прочности лопасти, к улучшению ее аэродинамических характеристик. Ресурс с 50 часов в 1957 году был повышен до 700 часов в 1968-м. Продолжает совершенствоваться конструкция каркаса лопасти и его крепления к лонжерону. Новой опытной конструкции лопасти после налета в эксплуатации около 1000 часов ресурс продлен до 1200 часов.

Вертолет Ми-6 сначала летал без автопилота, затем на нем был установлен автопилот АП-31, а позднее более совершенный АП-34. Применение автопилота и установка дополнительного, по сравнению с Ми-4, навигационного оборудования (гирополукомпас ГПК-52, астрокомпас, маркерный приемник и др.), введение в состав экипажа штурмана и применение электрической антиобледенительной системы для входов в двигатели, а также для лопастей несущего винта (на лопастях Ми-4 была применена спиртовая система) — все это позволило использовать вертолет Ми-6 в ночных полетах и практически в любую погоду. По сути дела, Ми-6 стал практически всепогодным вертолетом.

Основной вариант вертолета Ми-6 — десантно-транспортный. С помощью машин этого типа решаются задачи по перевозке тяжелой военной техники весом до 12 тонн внутри фюзеляжа и до 8 тонн на наружной подвеске.

Максимальная скорость вертолета 300 км/час. Ми-6 стал первым вертолетом, крейсерская скорость которого 250 км/час превосходит или равна экономической крейсерской скорости самолетов местных линий (Ли-2, Ил-12, Ил-14). Максимальная дальность с дополнительными баками 1450 км. На дальность 620 км (с полной заправкой основных баков) вертолет может перевозить 6 т с нормальным взлетным весом (40,5 т) и 8 т с перегрузочным (42,5 т).

С 1964 года началось интенсивное применение этого вертолета в народном хозяйстве. В распоряжение гражданского воздушного флота авиационная промышленность поставила несколько десятков машин. Успешная работа вертолетов Ми-6 широко освещается печатью. Они используются для транспортировки буровых установок и других тяжелых грузов в труднодоступные районы, а также в качестве летающих кранов для монтажа различных сооружений. Применение этих машин дало возможность резко сократить сроки многих работ, а также получить значительный экономический эффект. Наибольший экономический эффект дало применение вертолетов Ми-6 нефтяных районах страны. Выполнение ряда чрезвычайно важных работ стало вообще возможным только благодаря вертолетам Ми-6. По словам бывшего председателя Госплана СССР Байбакова, освоение газоносных и нефтеносных районов страны было ускорено на 15 лет благодаря использованию вертолетов МИ.

Вертолет Ми-6 получил мировое признание. Его рассматривают как веху в развитии вертолетостроения. Значение создания этой машины не исчерпывается его большой грузоподъемностью и размерами. Ми-6 — первый вертолет в мире, перешагнувший рубеж скорости 320 км/ч, рубеж, который, как считалось одно время, никогда не будет перейден аппаратами этого типа. Его компоновочная схема стала классической.

Серийное производство вертолета было развернуто на заводе им. Хруничева в Москве (с 1960-го по 1962 год было построено 50 машин) и на Ростовском вертолетном заводе (с 1960-го по 1980 год было построено 874 машины). Всего произведено 924 вертолета различных модификаций, 60 из которых было продано за рубеж. В 1980 году Ми-6 перестали выпускать, а в 2002 году он снят с эксплуатации в России.

Транспортный вертолет рассчитан на перевозку 65 чел. Однако в практической эксплуатации были случаи, когда пришлось перевозить до 150 человек за полет. В санитарном варианте, в который может быть быстро переоборудована транспортная машина, перевозятся 41 больной на носилках и сопровождающие медицинские работники.

С апреля 1959 года по сентябрь 1964 года на вертолетах Ми-6 серийного производства устанавливаются, помимо упомянутых выше, еще 12 мировых рекордов, официально утвержденных ФАИ. Среди них рекорды максимальной скорости: 340 км/час на базе 100 км; 315,6 км/час на базе 500 км; 300,6 км/час на базе 1000 км с грузом 2 тонны и 284,3 км/час с грузом 5 тонн и рекорды максимальной высоты 5584 м с грузом 5 тонн и 4885 м с грузом 10 тонн. После того, как 21 сентября 1961 года на базе 15–25 км на вертолете Ми-6 был установлен мировой рекорд максимальной скорости 320 км/час, конструкторскому бюро М. Л. Миля был присужден Международный приз имени Игоря Сикорского как признание выдающегося достижения в развитии вертолетостроительного искусства.