Боевые операции "Веллингтонов" начались на второй день войны, когда 14 самолетов модификации I из 149-й эскадрилий (вместе с 15 "Бленхеймами" IV) отправили атаковать немецкие боевые корабли в Брюнсбюттеле. Налет оказался большой неудачей. Два "Веллингтона" были потеряны. Лучше вооруженные машины модификации IA были использованы в декабре 1939 г. 9- й, 37-й, 38-й, 99-й, 114-й, 147-й и 149- й эскадрильями против немецких кораблей в Гельголанде и Вильгельмсгафене. В двух случаях из трех группы "Веллингтонов" понесли значительные потери. 14 декабря потеряли 12 самолетов из 99-й эскадрильи, а 18 декабря были сбиты 10 из 22 машин (из трех эскадрилий). Эти налеты продемонстрировали даже не столько то, что нужна лучшая защита сбоку и такие вещи, как протектирование бензобаков и броня для экипажа, а просто полную непригодность "Веллингтона" для предназначавшейся ему роли дневного бомбардировщика. Подобно "Хэмпдену", впредь его решили использовать только для ночных операций, не требовавших сопровождения истребителями. С начала 1940 г. эскадрильи 3-й группы (в которую из 6-й группы перевели и 75-ю) присоединились к "Уитли" 4-й группы и "Хэмпденам" 5-й группы в ночных налетах. Это была первая фаза стратегического наступления Бомбардировочного командования на Германию.
Опыт показал, что "Веллингтон" является лучшим из трех бомбардировщиков, использовавшихся тогда для этих целей Бомбардировочным командованием. Он был быстроходнее чем "Уитли" и обладал большей дальностью при равной бомбовой нагрузке, чем "Хэмпден". Этот факт отразился в увеличении заказов промышленности в 1940 г. и быстром росте числа вооруженных "Веллин- гтонами" эскадрилий в 1941 г. Бомбу весом 1814 кг впервые применили в боевых условиях в ночь на 1 апреля 1941 г., сбросив ее на Эмден. К концу года 1 -ю группу (неудачно дебютировавшую на "Бэттлах" во Франции в 1940 г.) полностью переоснастили "Веллингтона- ми". В нее вошли девять боеспособных эскадрилий и одна в стадии освоения новой техники. В группе были четыре эскадрильи с личным составом из поляков (300-я, 301-я, 304-я и 305-я), две австралийских (458-я и 460-я) и четыре британских (103-я, 150-я, 12-я и 142- я). Освоившая "Веллингтоны" ранее 3- я группа насчитывала 10 боеспособных эскадрилий (9-ю, 40-ю, 57-ю, 75-ю новозеландскую, 99-ю, 101-ю,115-ю,214- ю, 218-ю и 311-ю чехословацкую) плюс одну перевооружающуюся (419-ю канадскую). 4-я группа включала две эскадрильи на "Веллингтонах" II (104-ю и 405-ю канадскую).
На 23 февраля 1942 г. (день, когда А.Харрис принял Бомбардировочное командование) в строю имелось 256 "Веллингтонов", 144 "Хэмпдена" и около 100 бомбардировщиков других типов. Таким образом, "Веллингтон" оказался на острие копья военной кампании, начатой Харрисом в конце марта 1942 г. против промышленных центров и городов в западной и северо-запад- ной части Германии. В первом налете "1000 бомбардировщиков" на Кельн из 1043 самолетов 599 были "Веллингто- нами".
За первые месяцы 1943 г. в значительной мере оснастили "Веллингтона- ми" 6-ю группу, которую 1 января объявили канадским соединенением. Через несколько месяцев шесть из восьми эскадрилий канадских ВВС в этой группе летали на "Веллингтонах". Однако с 1943 г. значение этих самолетов для Бомбардировочного командования начало быстро падать по мере того как "входили в силу" четырехмоторные тяжелые машины.
На других театрах военных действий и в других областях применения бомбардировщик "Виккерс" продолжал играть свою важную роль. В Великобритании последний боевой вылет "Веллингтонов" имел место в октябре 1943 г. Однако, машины этого типа сохранялись в Бомбардировочном командовании до 1944 г. как часть состава 192-й эскадрильи особого назначения в 100-й группе. Специально оборудованные самолеты в 1941 г. эксплуатировались 109- й эскадрильей в интересах радиоразведки ВВС. В 1942 г. из этой части выделились 1473-е звено особого назначения, занимавшееся электронной разведкой, и 1474-е звено особого назначения, специализировавшееся на постановке помех. В начале 1943 г. эти два звена объединили в 192-ю эскадрилью.