Zavádění DI-6 do výzbroje sovětského letectva probíhalo velmi pomalu. Jako první v říjnu 1936 převzala svých prvních sedm DI-6i 54. letka dvoumístných stíhacích letounů z 56. stíhací letecké brigády, avšak ještě za rok bylo ve službě pouhých 28 kusů a v lednu 1939 celkem 131 kusů obou verzí. V té době už ale bylo jasné, že letouny DI-6 jsou zastaralé, mají nízké výkony a trpí řadou negativních vlastností (špatná vzájemná komunikace posádky, tendence k přechodu do vývrtky v nižších rychlostech, omezení některých obratů nižší pilotáže atd.). DI-6 se proto nikdy nedočkaly žádného bojového nasazení. Pro sovětskou invazi do Polska roku 1939 sice bylo vyčleněno 94 DI-6, fronta se však zhroutila dříve, než mohly být nasazeny.