В целом применение СБ оказалось очень удачным. Получившие в Испании прозвище «Катюша» самолеты эффективно бомбили различные цели, в том числе корабли (так, 14 января 1937 года ими был поврежден крейсер «Канариас»), рассеивали группы вражеских бомбардировщиков, а от истребителей «Heinkel 51» и «FIAT CR.32» попросту легко уходили, пользуясь преимуществом в мощности и скорости. В мае 1937-го из СССР в Испанию прибыл еще 31 самолет СБ, в октябре – третья партия. К этому времени у советского бомбардировщика появился опасный противник – новейший немецкий истребитель «Messerschmitt 109». Он мог перехватывать СБ на больших высотах и причинить им серьезный урон: так, 7 февраля 1938 года двенадцать «мессеров» сбили четыре СБ и повредили еще десять. После победы франкистов им досталось 16 СБ, которые использовались как учебные до 1950 года. Всего в небе Испании воевало около 70 таких машин.

Уже в 1936 года началось улучшение характеристик СБ. На машину вначале начали устанавливать 860-сильные двигатели М-100А, а с сентября 1938-го – 960-сильный двигатель М-103. Совершенствовались и боевые качества самолета. По итогам испанской кампании были разработаны новые наружные держатели для бомб, что увеличило бомбовую нагрузку до полутора тонн, и новые стрелковые установки МВ-2 и МВ-3, которые обеспечивали стрелку отличный обзор задней полусферы. Но массово внедряться они начали уже после советско-финляндской войны, и даже в 1941-м многие стрелки СБ воевали еще «по старинке».

Высокие качества, которые новейший советский бомбардировщик продемонстрировал в небе Испании, привлекли к нему широкое внимание за рубежом, и в 1937-м СБ стал первым советским самолетом, чей выпуск начался по лицензии в другой стране. В 1937–1939 годах в Чехословакии было построено 111 бомбардировщиков «Avia B.71», которые затем достались нацистской Германии и использовались в люфтваффе как учебные. Двадцать четыре таких машины были переданы Болгарии, где получили марку «Авиа В-71 Жерав». Болгарские «Журавли» в 1943 года использовались для бомбежки позиций греческих партизан, а осенью 1944-го, когда Болгария перешла на сторону СССР, пять «Жеравов» успешно бомбили немецкие железнодорожные составы.

В 1938 году первые СБ появились в Гражданском воздушном флоте: отслужившие в армии машины ремонтировались, получали индекс ПС-40 и переоборудовались под транспортные. Версия 1940 года ПС-41 оснащалась двигателями М-103 и использовалась также как почтовая. Пассажиров такие машины не перевозили.

Параллельно с Испанией СБ воевали в Китае, куда в 1937–1940 годах СССР поставил 292 бомбардировщика. Китайские летчики использовали эти машины до 1943 года. На озере Хасан в августе 1938-го воевали 12 °CБ, на Халхин-Голе – 180. Однако первые серьезные потери СБ понесли на советско-финляндской войне. Тогда финны сбили 113 бомбардировщиков, повредили 41, 27 самолетов пропали без вести и еще 72 были потеряны по другим причинам. В 1940 году появился первый Герой Советского Союза, воевавший на СБ, – капитан 44-го скоростного бомбардировочного авиаполка Михаил Трофимович Трусов. 10 февраля 1940 года девять самолётов СБ его полка под прикрытием пятнадцати истребителей И-16 бомбили оборонительные укрепления противника. Бомбардировщик старшего лейтенанта М.Ф. Мазаева был сбит зенитным снарядом и совершил вынужденную посадку на лед озера. К самолёту бросились финны, но И-16 сильным пулеметным огнем вынудили их залечь, а капитан Трусов посадил свой СБ на лед рядом с машиной Мазаева, снял с него экипаж и успешно вывез его к своим. Этому случаю посвящено стихотворение А.Т. Твардовского «Высшая честь».

В самом конце 1930-х велись активные работы по модернизации СБ, так как самолет уже не отвечал требованиям, предъявляемым к бомбардировщикам его класса. Скорость не менее 500 километров в час пытались обеспечить установкой все более и более мощных двигателей и новых винтов с автоматической установкой шага, но это вело к увеличению полетной массы. Кроме того, достижению высокой скорости препятствовала геометрия крыла СБ – оно обладало слишком большим профильным сопротивлением. Максимум, что удалось «выжать» из прежней схемы, – это версия СБ-РК (разрезное крыло) с 1050-сильными двигателями М-105, уменьшенной площадью крыла и улучшенной аэродинамикой. Скорость такого самолета достигла 480 километров в час. Задумывался СБ-РК как пикирующий бомбардировщик, но на практике применялся как обычный. В 1940-м СБ-РК получил новую носовую часть фюзеляжа и был переименован в Ар-2 (Ар – от фамилии А.А. Архангельского). Ар-2 и был «высшей точкой» в развитии конструкции СБ, но выпущен он был небольшой серией и вскоре уступил место более совершенному пикировщику Пе-2.

К началу Великой Отечественной войны в приграничных военных округах в бомбардировочных и разведывательных авиаполках находилось 1587 СБ, больше всего в Прибалтийском (403) и Западном (377) особых военных округах. 22–30 июня 1941-го именно СБ, стоявшие на приграничных аэродромах, понесли наибольшие потери – порядка 600 самолетов. Те СБ, которые успевали взлететь и атаковать противника, чаще всего тоже гибли: так, из 18 бомбардировщиков 39-го скоростного бомбардировочного авиаполка, вылетевших в 7 часов утра 22 июня на бомбежку немецкой переправы через Буг, были сбиты все 18, а в течение дня полк лишился и остальных 25 машин. Были, впрочем, и другие примеры: в первый же день войны СБ атаковали города на вражеской территории – бомбили Кёнигсберг, Тауроген, Мемель и благополучно вернулись на базы. 24 июня 1941 года был совершен первый огненный таран в истории Великой Отечественной – капитан 33-го скоростного бомбардировочного авиаполка Григорий Архипович Храпай направил свой подожженный СБ на скопление вражеской техники под Бродами. Вместе с ним погибли лейтенант В.И. Филатов и старший сержант Г.К. Тихомиров. Последними словами, которые герои передали по радио, были: «Умираем за Родину». Посмертно Г.А. Храпай был удостоен ордена Красного Знамени.

«Флотские» СБ были относительно немногочисленными – 99 самолетов в составе авиации Тихоокеанского флота, 75 – Черноморского, 11 – Северного. В 7 часов утра 22 июня 27 черноморских СБ бомбили румынский порт Констанцу, потеряв один самолет. Налеты были повторены 24 и 25 июня, но противник был уже хорошо подготовлен к ним, и три самолета погибли. 12 августа 1941-го в районе Одессы было сбито сразу 12 бомбардировщиков. В ноябре «флотские» СБ перебазировались из Крыма на Кавказ и применялись по преимуществу ночью. «Северные» СБ базировались на аэродроме Ваенга, бомбили порты Петсамо и Киркенес, охотились за транспортами. В 1942-м на флоте оставалось пять таких самолетов, год спустя – один.

В целом же можно констатировать, что основная масса бомбардировщиков СБ была потеряна в течение 1941 года: к 1 октября во фронтовом строю оставалось 130 машин, причем 47 были неисправными.

Около 6 °CБ участвовали в битве за Москву. Уцелевшие во время разгрома советской авиации в Прибалтике СБ были переброшены под Ленинград.