В отличие от всех предыдущих советских боевых самолетов, которые годами ждали «проверки делом», СБ был «брошен в огонь» сразу же после появления. К осени 1936-го, когда было принято решение об отправке новейших машин на фронт испанской гражданской войны, их насчитывалось всего чуть больше пятидесяти, но в Испанию отправили сразу тридцать. Боевой дебют СБ состоялся 28 октября 1936 года: в этот день два СБ вели разведку и бомбили железнодорожную станцию и мост. 2 ноября в небе Испании был потерян первый СБ. Интересно, что широкая публика в СССР смогла увидеть самолет в небе только через пять дней – 7 ноября 1936-го он пролетел над Красной площадью.
В целом применение СБ оказалось очень удачным. Получившие в Испании прозвище «Катюша» самолеты эффективно бомбили различные цели, в том числе корабли (так, 14 января 1937 года ими был поврежден крейсер «Канариас»), рассеивали группы вражеских бомбардировщиков, а от истребителей «Heinkel 51» и «FIAT CR.32» попросту легко уходили, пользуясь преимуществом в мощности и скорости. В мае 1937-го из СССР в Испанию прибыл еще 31 самолет СБ, в октябре – третья партия. К этому времени у советского бомбардировщика появился опасный противник – новейший немецкий истребитель «Messerschmitt 109». Он мог перехватывать СБ на больших высотах и причинить им серьезный урон: так, 7 февраля 1938 года двенадцать «мессеров» сбили четыре СБ и повредили еще десять. После победы франкистов им досталось 16 СБ, которые использовались как учебные до 1950 года. Всего в небе Испании воевало около 70 таких машин.
Уже в 1936 года началось улучшение характеристик СБ. На машину вначале начали устанавливать 860-сильные двигатели М-100А, а с сентября 1938-го – 960-сильный двигатель М-103. Совершенствовались и боевые качества самолета. По итогам испанской кампании были разработаны новые наружные держатели для бомб, что увеличило бомбовую нагрузку до полутора тонн, и новые стрелковые установки МВ-2 и МВ-3, которые обеспечивали стрелку отличный обзор задней полусферы. Но массово внедряться они начали уже после советско-финляндской войны, и даже в 1941-м многие стрелки СБ воевали еще «по старинке».
Высокие качества, которые новейший советский бомбардировщик продемонстрировал в небе Испании, привлекли к нему широкое внимание за рубежом, и в 1937-м СБ стал первым советским самолетом, чей выпуск начался по лицензии в другой стране. В 1937–1939 годах в Чехословакии было построено 111 бомбардировщиков «Avia B.71», которые затем достались нацистской Германии и использовались в люфтваффе как учебные. Двадцать четыре таких машины были переданы Болгарии, где получили марку «Авиа В-71 Жерав». Болгарские «Журавли» в 1943 года использовались для бомбежки позиций греческих партизан, а осенью 1944-го, когда Болгария перешла на сторону СССР, пять «Жеравов» успешно бомбили немецкие железнодорожные составы.
В 1938 году первые СБ появились в Гражданском воздушном флоте: отслужившие в армии машины ремонтировались, получали индекс ПС-40 и переоборудовались под транспортные. Версия 1940 года ПС-41 оснащалась двигателями М-103 и использовалась также как почтовая. Пассажиров такие машины не перевозили.
Параллельно с Испанией СБ воевали в Китае, куда в 1937–1940 годах СССР поставил 292 бомбардировщика. Китайские летчики использовали эти машины до 1943 года. На озере Хасан в августе 1938-го воевали 12 °CБ, на Халхин-Голе – 180. Однако первые серьезные потери СБ понесли на советско-финляндской войне. Тогда финны сбили 113 бомбардировщиков, повредили 41, 27 самолетов пропали без вести и еще 72 были потеряны по другим причинам. В 1940 году появился первый Герой Советского Союза, воевавший на СБ, – капитан 44-го скоростного бомбардировочного авиаполка Михаил Трофимович Трусов. 10 февраля 1940 года девять самолётов СБ его полка под прикрытием пятнадцати истребителей И-16 бомбили оборонительные укрепления противника. Бомбардировщик старшего лейтенанта М.Ф. Мазаева был сбит зенитным снарядом и совершил вынужденную посадку на лед озера. К самолёту бросились финны, но И-16 сильным пулеметным огнем вынудили их залечь, а капитан Трусов посадил свой СБ на лед рядом с машиной Мазаева, снял с него экипаж и успешно вывез его к своим. Этому случаю посвящено стихотворение А.Т. Твардовского «Высшая честь».