Stuka dioperasikan dengan cukup sukses untuk dukungan udara dekat dan anti-pengiriman pada pecahnya Perang Dunia II. Ia mempelopori serangan udara saat invasi Polandia pada bulan September 1939. Stuka penting dalam penaklukan cepat Norwegia, Belanda, Belgia dan Prancis pada tahun 1940. Meskipun kokoh, akurat, dan sangat efektif terhadap target darat, Stuka rentan terhadap pesawat tempur kontemporer, seperti pengebom tukik lain dalam perang. Selama Pertempuran Britania kurangnya manuver, kecepatan angin dan persenjataan defensif berarti diperlukan pengawalan penempur berat untuk beroperasi secara efektif. Setelah Battle of Britain Stuka dioperasikan dengan lebih sukses dalam Kampanye Balkan, teater Afrika dan Mediterania dan tahap awal dari Front Timur di mana ia digunakan untuk dukungan darat umum, yang efektif berupa pesawat anti-tank dan peran anti-pengiriman. Setelah Luftwaffe kehilangan superioritas udara, Stuka menjadi sasaran empuk bagi pesawat tempur musuh di semua lini. Diproduksi sampai tahun 1944 karena kurangnya pengganti yang lebih baik. Pada akhir perang ground-attack versi Focke-Wulf Fw 190 telah menggantikan Stuka, tapi Stuka tetap dalam pelayanan sampai akhir perang.