1937年1月30日に海軍に納入されたが、本機は同年の4月にホール社のブリストル工場で公式に披露された。初期の飛行試験は2月に始まり、テストパイロットのビル・マッカヴォイ（Bill McAvoy）により実施されたこの試験ではXPTBHはほとんど欠点が見つからず、唯一の顕著な問題はフロートの表面積の影響により引き起こされた横転力の不足（機体を横転させるエルロンの能力不足）であったが、この問題は方向舵の面積を増加させるという改良により解決された。水面上での機体の挙動特性は素晴らしいものであったが、試験期間中に表面化した唯一の不満点はXPTBH-2の上陸用降着装置で、これは最上の穏やかな波の状態以外では非常に使いづらいものあった。XPTBH-2はほとんどの設計要求仕様に合致しており、飛行試験においては全般的に高評価であったが、最高速度と攻撃速度の点で契約条件要求には達しなかった。これに加えて米海軍は遠洋雷撃機を運用要件がある航空機としては考えておらず、水上からの運用に限定された水上機という形式が否定的要素とも考えられた。「三位一体」（"three-in-one"）任務をこなせるという本機に対して器用貧乏（jack of all trades）という見方がされて、各種任務専用に設計された機体の方が優れていると考えられた。量産の発注が出されなかったことでホール社は海軍の方針を非難した。試験プログラムの終了後にXPTBH-2は、ニューポート (ロードアイランド州)にある海軍魚雷ステーションでの実験任務に使用され、航空魚雷の試験に参加したが、1938年9月21日のニューイングランド・ハリケーンによりXPTBH-2が破壊されるとニューポートでのこの試験は終了した。ホール社が設計した機体としてはXPTBH-2が最後となったが、同社は1940年にコンソリデーテッド・エアクラフト社に買収されるまで事業を継続した。
1934年遅くにアメリカ海軍の海軍航空局（Bureau of Aeronautics：BuAer）は、新しい偵察爆撃機と雷撃機の要求仕様を発行した。これに応じて8社合計10機種の応募があったが、この中で単葉機の複葉機の割合は半々であった。ホール社が応募した機体が唯一の水上機であり、試作機1機が1934年6月30日に評価用に海軍から発注された。XPTBH-1の名称が与えられたこの機体は、1922年から1962年まで適用されたアメリカ海軍機の命名規則下で3種類の任務を表す符号を与えられた唯一の航空機であった。ホール社が選択した双フロートを持つ水上機という形式は、新しい雷撃機には駆逐艦で運用される海軍標準型の魚雷を搭載すべしという海軍側の要求に従ったものであった。指示に従ってXPTBH-1はライト R-1820 "サイクロン" 星形エンジンを搭載する予定であったが、ホール社の生産工場移転による設計作業の遅れにより契約履行が危うくなったことと想定される性能に疑問が出てきたために、機体は幾分小型で2基のプラット・アンド・ホイットニー R-1830 "ツインワスプ" 星形エンジンを搭載するように再設計されることとなった。この再設計により変更された機体は、XPTBH-2という名称を与えられた。ホール社定番のアルミニウム製鋼管桁を使用し、胴体と主翼前縁はアルミニウムで覆われた一方で主翼のその他の部分と動翼は羽布張りであった。.30口径機関銃を搭載したホール社設計の動力銃座を機首に備えており、1930年代の標準としては本機の武装は充実したものであった。連装機関銃を装備した可動銃座が機体後方の背面と下面に設けられ、爆撃手が使用するように銃座の下の機首部は平面ガラス張りとなっていた。本機の装備する攻撃用兵器としては、Mk13航空魚雷か最大2,000ポンド (910 kg)までの爆弾があり、これらは機内の爆弾倉に収納された。双フロート式という降着装置の形式は、これらの兵器を投下することを可能としていた。
後任の有賀艦長の着任後は、第2艦隊参謀長として引き続き大和に乗艦、坊ノ岬沖海戦でも無事に生還している。大和の沈没後、「艦長が泳いでいるのを見た」という生存者の目撃証言があるが、これは漂流中の森下を誤認したものと考えられている。有賀艦長は退艦せず大和と運命を共にした。同海戦前日の4月6日、駆逐艦花月が大和に給油している時、森下は花月の東日出夫艦長（森下が夕月艦長時の航海長で、海軍兵学校の7期後輩）を大和に呼び、「おい、東、これを持って行って適当なときに家へ送ってくれ」と森下は言い、トランクと鍵を渡した。東艦長は「適当なときに」という言葉に、森下の死の覚悟を感じ、そこまで自分を信頼してくれているのかと感激した。同海戦で、午後0時45分に左舷前部に魚雷1本が命中した。森下は敵機の攻撃を見ながら「みごとなもんだ。あのとき（レイテ沖海戦）より、確実に腕が上がっとる。」と言っていた。敵を褒めるこの言葉をきいて、眉をひそめる将校もいたというが、レイテ沖海戦で対空射撃が当たらないものだと大和の限界を知りぬいた森下ならではの言葉であった。午後2時の第3波の来襲による左舷への魚雷攻撃集中で傾斜復元困難となった時、艦橋から防空指揮所に移動し有賀艦長に「今となっては、艦の傾斜を復元するために、敵の魚雷を右舷に命中させるにしかず」と進言している。その後も左舷への攻撃集中で傾斜復元の手段が尽きたため、能村副長より有賀艦長に「総員退去」の進言が出た。有賀艦長は電話で森下の判断をただした際、森下は「有賀、もうだめだな」と小声で、同期生なので遠慮なく答えたという。その後、森下は長官席に座っていた第2艦隊司令官伊藤整一中将に対し、「もう宜しいかと思います。総員上甲板の命令を発します」と作戦の中止を具申し（それを聞いた伊藤中将は「残念だったね。皆御苦労でした」と答えを返したと言われている）、伊藤中将は「参謀長、後を頼む」と言って長官室に降りて行った。航海長が羅針盤や伝声管に白さらしで身を縛りつけようとし、周りの将校達も同じように縛ろうとしたとき、「貴様たちに責任はない。生きろ、生きぬくんだ。まだ働かなければならないことが沢山ある。今死んでどうする。」と言い、殴りかかった。その後、航海士が「軍艦旗が…」と叫んだ途端、大和は爆発した。森下は最後まで艦橋に残っており沈没時の大渦に巻き込まれたが、爆発によって渦から投げ出され意識不明のまま浮かんでいた（この爆発のため、すでに海にとびこんでいて離れていたものや、沈没時に艦橋上部にいたものは渦からなげだされ助かったが、甲板付近にいた大部分のものは死亡した）。森下は、海面で従兵の小宮山善一郎に発見され、駆逐艦冬月の内火艇により助けられた。甲板に上げられた森下は、突然目を見張って、「グラマンはどうした、グラマンはどうした！」とどなって、ふたたび意識を失ったという。その後、4月8日に佐世保の海軍病院に入院した。