Les Tupolev SB ont servi durant la guerre d'Espagne, aux côtés des Républicains. Ils ont donné de bons résultats face aux biplans italiens et allemands plus lents que lui, jusqu'à l'arrivée du Messerschmitt 109. À partir de 1937, des appareils avec des équipages chinois et soviétiques ont été mêlés aux combats contre le Japon, notamment aux batailles de Halhin Gol et du lac Khassan. L'Union soviétique l'utilisa durant la guerre d'Hiver. Bien que généralement considérés comme obsolètes au début de la Seconde Guerre mondiale, les SB servirent massivement comme bombardiers sur le front de l'Est jusqu'en 1943. Ils furent ensuite employés dans d'autres rôles (transport, planeur...).