Tuvo su estreno y primera actuación importante en la Guerra Civil Española del lado de las Fuerzas Aéreas de la República Española, contienda donde fue conocido como Katiuska en el bando republicano y Martin Bomber por los aviadores del bando sublevado. Más tarde participaría en los conflictos fronterizos de 1939 contra el Servicio Aéreo del Ejército Imperial Japonés durante la (Batalla de Jaljin Gol) y en la guerra soviético-finesa de 1939–1940. Hacia junio de 1941, el 94 % de los bombarderos de la aviación soviética estaba compuesto por Tupolev SB. Al principio de la Segunda Guerra Mundial, durante la invasión alemana de la Unión Soviética, los SB sufrieron unas pérdidas tan elevadas a manos de la "Luftwaffe" que obligaron a retirarlos de la primera línea de combate y su sustitución por aparatos más modernos.