С августа того же года при заводе работало Центральное конструкторское бюро морского самолетостроения, которое возглавил Г.М. Бериев. Там практически непрерывно шла работа по улучшению конструкции МБР-2. Так, весной 1935 года испытывали МС-1 – такое обозначение получила МБР-2 с двигателем М-34, улучшенной аэродинамикой, закрытой кабиной летчика и новыми пулеметами ШКАС вместо ДА. Безоговорочной победы не вышло: новый самолет получил ряд преимуществ перед МБР-2, но имел и ряд существенных минусов, среди которых меньшая дальность полета, ухудшившиеся взлетно-посадочные характеристики. Тем не менее этот вариант под маркой МБР-2-М-34 тоже запустили в небольшую (11 экземпляров) серию. В дальнейшем на гидросамолете опробовали еще два двигателя – М-34НБ (весна 1937 года) и М-103 (весна 1939 года). Но результаты были те же: безусловные плюсы «съедались» такими же безусловными минусами. В итоге следующего поколения МБР-2 с новым двигателем так и не появилось.
Существовали также пассажирские версии МБР-2. Они назывались МП-1 и МП-1бис. На борт такой гидросамолет мог взять шесть человек, они размещались в удобной закрытой кабине. В июле 1938 году стал широко известен перелет по маршруту Севастополь – Киев – Новгород – Архангельск, который на МП-1 совершил женский экипаж, состоявший из Полины Осипенко, Веры Ломако и Марины Расковой. Специально для полярной авиации подготовили версию МБР-2бис с утепленной кабиной, они эксплуатировались на Севере до начала 1950-х годов.
Начиная с 1934 года МБР-2 массово начали поступать в советскую морскую авиацию, вытесняя из нее немецкие и итальянские гидросамолеты. В сентябре 1936 года три МБР-2 стали первыми гидросамолетами молодого Северного флота. К 1937 году Балтийский и Черноморский флоты были перевооружены ими полностью, а к 1938 году МБР-2 были переоснащены Тихоокеанский флот и Амурская военная флотилия. Самолеты поступали на вооружение дальне– и ближнеразведывательных авиаэскадрилий, выполняли также функции самолетов-водителей радиоуправляемых торпедных катеров (МБР-2ВУ) и учебных гидропланов в Ейском военно-морском авиаучилище. Получившие ласковое прозвище «амбарчик», они были любимы пилотами морской авиации за простоту, надежность, высокие летные и мореходные качества. Вместе с тем к концу 1930-х годов руководством армии все чаще подвергались критике невысокая скорость и дальность полета МБР-2, что обусловило дальнейшее развитие класса морских дальних разведчиков оригинального (МДР-6) и лицензионного (ГСТ) производства. В итоге летом 1940 года серийный выпуск МБР-2 был свернут.
Первым боевым конфликтом, в котором участвовали МБР-2, были боевые действия на озере Хасан (1938). Во время советско-финляндской войны гидросамолеты вели разведку и бомбили наземные объекты. 2 февраля 1940 года на МБР-2 был совершен уникальный подвиг, аналогов которому больше не было. Капитан Алексей Антонович Губрий, уроженец Одессы, приземлился на своем гидросамолете на финской территории и забрал с нее экипаж сбитого бомбардировщика СБ Г.С. Пинчука. Несмотря на то что финны открыли сильный артиллерийский огонь, перегруженный «амбарчик» успешно взлетел и вскоре приземлился на аэродроме Ораниенбаума. За свой подвиг А.А. Губрий 21 апреля 1940 года был удостоен звания Героя Советского Союза. Это был единственный случай, когда геройского звания был удостоен летчик, летавший на МБР-2.
Всего за время финской кампании на Балтфлоте было потеряно 12 гидросамолетов, из которых 9 разбились в авариях, а на Северном флоте в 1940-м 14 МБР-2 по халатности механика погибли во время пожара прямо в ангаре.
На начало Великой Отечественной войны наибольшее количество МБР-2, 218, насчитывалось на Тихоокеанском флоте. На Балтийском флоте их было 151, на Черноморском – 139, а на Северном – 49.
Именно балтийские МБР-2 первыми вступили в боевые действия. Самолеты лейтенантов Трунова и Пучкова из 44-й отдельной морской разведывательной авиаэскадрильи еще в 3.30 22 июня обнаружили в Финском заливе неизвестные корабли и при попытке приблизиться к ним были обстреляны. Только за 22–23 июня МБР совершили более ста боевых вылетов в поддержку войск, обороняющих Лиепаю. В дальнейшем они бомбили колонные вражеской техники, вели поиск подводных лодок, разминировали бомбами немецкие минные заграждения, сопровождали конвои из Таллина в Ленинград. Днем тихоходные МБР несли большие потери, и к концу года в строю на Балтике оставалось всего 56 гидропланов.
Черноморские МБР вступили в войну 23 июня, минируя подходы к Севастополю. В качестве дневных разведчиков они оказались очень уязвимыми; 18 июля произошла настоящая трагедия, когда погибли сразу девять МБР, отправившихся на разведку к берегам Румынии. Это была самая массовая единовременная потеря самолетов этого типа за всю войну. Тем не менее гидросамолеты активно бомбили коммуникации противника, атаковали вражеские суда, прикрывали советские. По мере продвижения вермахта в глубь СССР «амбарчики» перебазировались сначала в Крым, затем на Таманский полуостров.