Регулярная эксплуатация машины началась 21 июля 1959 года на линии Киев – Москва, на следующий день Ан-10 вылетел из Москвы в Симферополь, преодолев расстояние до Крыма за 2 часа 15 минут. Большинство Ан-10 (30 самолетов) работало в Украинском управлении «Аэрофлота», базируясь в Киеве, Харькове, Львове и Донецке. Но в 1959–1961 годах такие лайнеры поступили также в авиахозяйства Ростова-на-Дону (10 самолетов), Куйбышева (8), Минска (6), Кишинёва и Сыктывкара (по 5), Иркутска и Хабаровска (по 3).
Основной вариант Ан-10 предназначался для перевозки 85 пассажиров. Но в конце 1950-х в «Аэрофлоте» началась усиленная «погоня за рентабельностью», и в октябре 1959-го появился 100-местный Ан-10А с перепланированным салоном. Эта версия быстро стала основной, и с 1963-го все Ан-10 были переоборудованы в 100-местные. А в октябре 1966-го появился 112-местный Ан-10Б, и в течение трех лет 34 самолета были переоснащены в расчете на такое количество пассажиров. Еще в 1957-м был разработан проект Ан-16, представлявший собой удлиненный на три метра 130-местный Ан-10, в 1960-м – 124-местный Ан-10Д, в 1963-м – удлиненный на шесть метров 174-местный Ан-10В. Но эти машины остались на стадии проектов.
Существовали и грузопассажирские версии машины – транспортно-санитарный Ан-10ТС (1958, 12 самолетов) и грузопассажирский Ан-10АС (1959, 4 самолета). Один из Ан-10АС приобрел широкую известность в мире благодаря перелетам Москва – Берлин – Вашингтон (декабрь 1959 года) и Москва – Дели (январь 1960 года). Один Ан-10 в 1970 году по просьбе генерала армии В.Ф. Маргелова переоборудовали в воздушный командный пункт ВДВ – Ан-10КП. В целом же Ан-10 в случае необходимости мог легко преображаться в транспортный самолет, практически идентичный по возможностям Ан-12.
В истории отечественной авиации у Ан-10 была противоречивая репутация. На первых порах и летчикам, и пассажирам очень нравился современный, комфортабельный, вместительный и скоростной самолет, который мог эксплуатироваться на аэродромах любой сложности, включая грунтовые. Однако репутацию Ан-10 быстро «подкосили» страшные катастрофы, случившиеся во Львове 16 ноября 1959-го и 26 февраля 1960-го. В обоих случаях самолеты в условиях сильной облачности при заходе на посадку неожиданно перешли в пике, столкнулись с землей и сгорели, все люди на борту погибли. О.К. Антонова так потрясли эти трагедии, что он хотел отказаться от работы в пассажирской авиации:
На 1961 год Ан-10 связывали с Москвой все областные центры Украины, также они летали на линиях Киев – Минск, Киев – Ленинград и Киев – Баку. В 1963-м «Аэрофлот» эксплуатировал 80 таких машин, а к 1967-му «десятки» обслуживали около ста линий по всему СССР и считались самыми рентабельными советскими пассажирскими самолетами. Билеты на них были недорогими, например, купе в поезде Харьков – Москва стоило 13 рублей 60 копеек, а билет на Ан-10 – 14 рублей. К началу 1972 года Ан-10 перевезли почти 38 миллионов пассажиров и 1,2 миллиона тонн грузов.