Los primeros BA-64 que se produjeron fueron desplegados en el Frente del Don en 1942. Sin embargo, grandes cantidades fueron operadas por las unidades soviéticas en el Frente de Voronezh y el Frente de Briansk desde mediados y hasta el finales de 1943. Los BA-64 también participaron en las fases finales de la Batalla de Stalingrado. Durante las largas marchas por carretera, sus tripulantes reemplazaban los neumáticos todoterreno con neumáticos estándar para ahorrar combustible. Estos automóviles blindados fueron desplegados durante las ofensivas soviéticas en Austria, Alemania, Hungría y Rumania, siendo ampliamente utilizados durante la Segunda batalla de Kiev y la Batalla de Berlín. Además, la Unión Soviética donó ochenta y un BA-64B al Ejército Popular Polaco y diez al 1er Cuerpo de Ejército checoslovaco. Los BA-64B checoslovacos fueron empleados en la Batalla de Praga de 1945.