Перші БА-64 почали надходити у війська в травні 1942 року і вже влітку того ж року вони взяли участь у бойових діях на Брянському і Воронезькому фронтах. Основними недоліками БА-64 в бою були його недостатня вогнева міць, а також проблеми евакуації з підбитих машин, що могло коштувати життя екіпажу. Разом з тим, рухливий, маневрений володіючи порівняно високою прохідністю бронеавтомобіль добре проявив себе в розвідувальних рейдах, десантних операціях і навіть при супроводі та вогневій підтримці піхоти. Особливо ефективними БА-64 опинилися при штурмі міст, завдяки великому куту піднесення зброї, котрий дозволяв вести вогонь по верхніх поверхах будівель у вуличних боях, що для більшості інших зразків бронетехніки було недоступно. У цій ролі вони широко використовувалися в наступальних операціях завершального періоду війни, аж до взяття Берліна.