Баранов в январе 1930 года заказал в Америке небольшую партию «Райтов». Опытный АНТ-9 сдали «Добролету» с «Титанами». Первые шесть АНТ-9 планировали сдать к 1 июля 1930 года. К лету несколько АНТ-9 уже собрали, но ожидаемые моторы из впавшей в Великую депрессию Америки поставлены не были. Поскольку завод должен был выполнять план, а поставка двигателей лежала на ответственности заказчиков, приемку машин начали без двигателей. Один такой самолет приняли в июне и еще два — в июле. «Райты» же начали монтировать только в августе.

Внешне АНТ-9 с «Райтами» отличались от опытного самолета отсутствием коков на винтах и частичным капотированием двигателей. Винты купили у фирмы «Стил Пропеллер Корпорейшн». Устраняя недостатки опытной машины, увеличили ход стабилизатора. Вес пустого самолета несколько вырос, в основном за счет моторов. 16 сентября головной серийный АНТ-9, совершивший на заводе только один полет, прибыл в НИИ ВВС. Испытания шли до 25 сентября, и за это время машина поднималась в воздух десять раз. Отзывы летчиков НИИ о серийном АНТ-9 были куда хуже, чем о его предшественнике с «Титанами». С одной стороны, выросли максимальная скорость и потолок, устойчивость осталась удовлетворительной, самолет по-прежнему мог лететь на двух моторах: на крайних — без проблем, на крайнем и центральном — с незначительным снижением. Но площадь руля направления при возросшей тяге оказалась недостаточной, и пилотировать машину стало сложнее. На посадке появилась тенденция к развороту влево. В придачу специалисты института выдвинули ряд других замечаний по конструкции — от серьезных до анекдотичных: «Штурвалы надо обмотать шпагатом, так как сильно холодят руки». В итоге — заключение: «В серию, до устранения недостатков, запущен быть не может». А серия уже стояла в Филях! И практически готовые самолеты начали дорабатывать. Руль направления нарастили вверх, что улучшило управляемость. На цилиндры двигателей надели узкие стабилизирующие обтекатели — «кольца Тауненда», а индивидуальные выхлопные патрубки заменили коллекторами. Однако эти работы требовали времени и, хотя к 17 декабря на заводе фактически были готовы все десять АНТ-9, сдать удалось только один.

Переделки привели к повышению стоимости машин — каждая из них обходилась теперь в 139 223 рубля без моторов. Между тем запасы «Райтов» кончались. Переговоры с американцами о строительстве завода по выпуску моторов зашли в тупик. Заменой мог стать новый мотор М-26. Он был создан под руководством А. А. Бессонова на заводе № 24 в 1929 году. М-26 представлял собой семицилиндровый звездообразный двигатель со взлетной мощностью 360 л. с, но задержки с выпуском этих моторов привели к тому, что УВВС потеряло к ним интерес и предложило весь заказ передать ВО ГВФ (Всесоюзному объединению гражданского воздушного флота — бывшему «Добролету»).

В мае 1931 года один из серийных АНТ-9 переоборудовали под три М-26. За ним последовали и другие машины. Серийный самолет с М-26 стоил дешевле, чем с «Райтами» — 110 тысяч рублей плюс 55 тысяч — моторы. К концу года завод № 22 (в Филях) выпустил в общей сложности 33 АНТ-9.

Первые АНТ-9 поступили на вооружение ВВС РККА в марте — апреле 1931 года. Это были обычные пассажирские машины с моторами «Райт».

С этими самолетами связаны первые учения советских ВДВ. 15 августа 1931 года из двух АНТ-9 в районе Красного Села под Ленинградом выбросили 19 парашютистов с условной целью захвата площадки для посадочного десанта. С парашютами приземлилось также тяжелое вооружение, включавшее пулеметы, две динамореактивные пушки Курчевского, боеприпасы…

Военные хотели получить новый опытный образец бомбардировщика к 1 апреля 1931 года, но Туполев не хотел делать из АНТ-9 бомбовоз, лучше других понимая несопоставимость задач. ЦАГИ отказывался от продолжения работы по боевой машине, ссылаясь на большую загрузку другими заказами. НИИ ВВС предложил провести переделку одного из серийных самолетов силами завода № 22. «Волейбол» продолжался до марта, когда новое совещание, проведенное по инициативе УВВС, четко определило и сроки, и исполнителей: ЦАГИ к 10 апреля закончить чертежи, заводу — к 15 апреля подготовить для переделки фюзеляж с центропланом и к 1 июля 1931 года предъявить самолет на испытания. Но машину выпустили лишь в начале января 1932 года и сразу стали готовить к испытаниям. Однако 14 января на очередном совещании заместитель начальника УВВС С. А. Меженинов предъявил конструкторам новое требование — переместить вперед место командира (штурмана-бомбардира) самолета. Но вместе с ним надо было передвигать бомбовый прицел, навигационные приборы, переговорное устройство и многое другое. На изменение чертежей военные дали месяц, на переделку опытного образца — два с половиной; к 1 апреля бомбардировщик требовалось доставить в НИИ ВВС. Испытаний бомбардировочного варианта АНТ-9 не проводилось. Интерес ВВС к самолету постепенно угас.

АНТ-9 довольно долго эксплуатировала эскадрилья особого назначения ВВС. Последний остававшийся там самолет этого типа передали 9-й школе летчиков, откуда его списали в 1939 году. Гражданский воздушный флот начал осваивать АНТ-9 раньше, чем военные. В июне 1930 года «Добролет» получил из ЦАГИ опытный самолет с моторами «Титан». Эта машина числилась за Московским управлением. Новых самолетов становилось все больше. Во время ноябрьского парада 1931 года четыре АНТ-9 проплыли над Красной площадью вслед за пятимоторным АНТ-14. К концу года ВО ГВФ имели 18 АНТ-9.

В 1931 году на АНТ-9 совершили первый специальный рейс Москва — Тобольск. Летчик И. В. Михеев и бортмеханик Монахов отправились в Сибирь за мехами для пушного аукциона. Из Тобольска они слетали в Березово и Салехард. Это был первый рейс на Обской линии, которая вскоре стала регулярной.

В Сибири АНТ-9 летал с лыжами. Поначалу машину оснастили лыжами от ТБ-1. Затем внедрили их облегченный вариант, прошедший испытания в НИИ ГВФ в марте 1931 года. И, наконец, в начале 1932 года завод № 28 после личного вмешательства А. Н. Туполева стал выпускать специальные металлические лыжи для АНТ-9.

Внедрение АНТ-9 переводило на новую ступень всю работу советской гражданской авиации. Руководители ВО ГВФ очень хотели поучиться у американцев, хотя Соединенные Штаты в то время сотрясал тяжелейший экономический кризис. Советская делегация в конце 1931 года вела в США настойчивые, но безуспешные переговоры о создании в СССР совместной «образцовой пассажирской линии».

Поначалу АНТ-9 отличался очень высокой аварийностью. Всего за год в авариях побывали восемь машин, две из которых пришлось списать. В обзоре аварийности инспекции ГВФ за 1931 год совершенно в духе того времени было сказано: «Большое количество выведенных из строя самолетов марки АНТ-9 надо отнести целиком к вине руководящих органов, не сумевших организационно подготовить и провести переход на новую материальную часть». Но прежде всего сказывалась низкая надежность моторов М-26. Ни один из этих двигателей недотягивал даже до «плохонького» ресурса в 50 часов, установленного заводом-изготовителем. Если у самолетов с моторами «Райт» вынужденная посадка из-за неполадок в моторах приходилась в среднем на каждые 126 часов налета, то машины с М-26 были вынужнены садиться через 8–9 часов! Такие показатели делали эксплуатацию АНТ-9 с М-26 просто опасной.