Po raz pierwszy wyrzutnia została użyta bojowo podczas radzieckiej interwencji w Afganistanie w czasie operacji „Tajfun” (grudzień 1988-luty 1989). Wykorzystano dwa pojazdy TOS-1 „Buratino” na zasadzie przetestowania nowej broni w warunkach bojowych. Użycie amunicji termobarycznej (paliwowo-powietrznej) w warunkach górskich było niezwykle skuteczne (zwielokrotniony efekt niszczący poprzez nachodzenie się na siebie fal uderzeniowych odbijanych przez ściany skalne). Rezultaty były na tyle dobre, że rekomendowano system do przyjęcia na uzbrojenie Armii Radzieckiej. Po raz drugi bojowo użyto TOS-ów podczas II wojny czeczeńskiej w 2000 roku, podczas walk o Komsomolskoje, również z bardzo dobrymi wynikami. Wtedy to, na skutek wszechobecnych relacji telewizyjnych z walk o tę miejscowość TOS-y przestały być bronią ściśle tajną, a świat dowiedział się o ich istnieniu. W sierpniu 2014 roku ukraińskie źródła podały niepotwierdzone informacje o użyciu TOS–ów przez prorosyjskich separatystów w rejonie lotniska w Ługańsku. Systemu TOS używała również armia iracka w trakcie bitwy o Tikrit w lecie 2014 roku. Pociski termobaryczne miały się sprawdzać m.in. w czyszczeniu pól minowych – rejonów, gdzie bojownicy IS masowo stosowali improwizowane ładunki wybuchowe (IED).