Впервые в бою Т-37А были применены в ходе боёв на Халхин-Голе против японских войск в мае — сентябре 1939 года. В составе 11-й танковой бригады 57-го Особого корпуса, дислоцированного в Монголии на начало конфликта, имелось 8 Т-37А, ещё 14 танков этого типа насчитывалось в 82-й стрелковой дивизии, прибывшей в район боевых действий к началу июля. В условиях пустынно-степной местности амфибийные свойства танков были совершенно не востребованы и на протяжении всего конфликта они использовались для поддержки пехоты. По итогам боевых действий танки получили от командования невысокую оценку; в отчётах, составленных после боёв, говорилось: «Танки Т-37 показали себя непригодными для атаки и обороны. Тихоходны, слетают гусеницы, ходить по пескам не могут». Недостаточной была и защищённость Т-37А, за время боевых действий боевые потери составили 17 из 25 задействованных танков, причем 6 из них - безвозвратные.