В процессе серийного строительства в самолет вносились улучшения, расширяющие его тактические возможности. Уже на первых серийных машинах помимо обычной системы централизованной заправки на земле от аэродромных заправщиков устанавливалась система дозаправки самолета на плаву. Такая система была испытана на самолете Бе-6. Заправочный узел располагался в правой передней части фюзеляжа.
Заправка топливом на плаву выполняется при движении танкера и самолета в кильватере. С помощью троса, передаваемого с самолета на танкер, к самолету подтягивается бортовой лебедкой специальный шланг-буксир, который герметично стыкуется с приемным устройством самолета. После перекачки топлива шланг-буксир отсоединяется от троса и выходит из приемного устройства. Процесс заправки топливом на плаву, начиная с подтяга шланга-буксира, полностью механизирован.
С началом эксплуатации самолета в строевых частях нередко имели место случаи разрушения покрышек колес во время торможения при посадке. Пришлось ставить антиюзовые устройства.
Из многочисленных экспериментальных работ, выполненных на самолете-амфибии Бе-12 в целях изучения его возможностей, следует отметить исследование коррозионной стойкости лодки при длительном базировании на плаву. В Донузлаве серийный самолет оснастили специальным протекторным устройством, с которым он находился на плаву с выпущенным шасси в течение 90 дней. Устройство представляло собой опускаемое из входной двери приспособление в виде штыря.
Через три месяца машину выкатили на берег, всю обросшую ракушками, но повреждений металла и лакокрасочного покрытия не обнаружили. Самолет предварительно к испытаниям не готовили. При аналогичных испытаниях Бе-10 без протекторного устройства получил значительные повреждения от коррозии в воде всего за 40 дней! На Бе-12 проводились и другие исследования, например, для улучшения взлетно-посадочных характеристик пробовали устанавливать подводные крылья.
На самолете (№ 6600501, бортовой 60, с собственной эмблемой — силуэтом белого медведя на борту) проводились испытания противообледенительной системы, устойчивости и управляемости машины в условиях обледенения, а также возможности эксплуатации самолета при низких температурах (амфибия летала в Якутии при температуре воздуха у земли около -60 °C).
Оборудование и вооружение Бе-12 постоянно совершенствовались. Так, в 1963–1964 гг. прошли испытания Бе-12ФС (изделие «ЕФС») с двигателями АИ-20ДК и Бе-12СК (изделие «ЕСК»), в состав вооружения которых входила ядерная глубинная бомба СК-1 «Скальп».
В 1968–1969 гг. предпринималась попытка оснастить Бе-12 новыми средствами поиска подводных лодок. Два серийных самолета (№ 8601102 и № 8601202) оборудовали аппаратурой «Гагара-1», позволяющей обнаруживать ПЛ по тепловому следу. Поисковая инфракрасная станция должна была отыскивать субмарины в подводном положении, используя тепловое излучение кильватерной струи лодки.
«Гагара-1» входила в перечень оборудования, которое должно было устанавливаться на самолет согласно ТТТ, но «застряла» на этапе испытаний, и в строевые части самолеты Бе-12 пошли без нее. При установке станции «Гагара-1» с самолетов сняли радиокомпас АРК-У2, гиродатчик АГД-1 заменили на гировертикаль ЦГВ-10. Для приемной головки станции в днище лодки за грузовым отсеком вырезался специальный люк. Обслуживание аппаратуры в полете производилось как штатным штурманом, так и дополнительным оператором, для которого в штурманской кабине оборудовалось рабочее место. Доработка самолетов происходила в филиале Евпаторийского авиаремонтного завода в г. Саки (Крым).
Первый доработанный самолет передали для проведения войсковых испытаний в 403-й отдельный противолодочный авиационный полк (оплап) на Севере. Затем Бе-12 с «Гагарой» летали на Дальнем Востоке, над Черным морем и даже побывали в Средиземноморье, базируясь в 1970 г. в Египте.
Результаты всех испытаний «Гагары-1» разочаровали авиаторов. Ее способность обнаруживать подводные лодки сильно зависела от температуры морской воды. Если на Севере станция позволяла четко отслеживать лодку, то в Черном море результаты слежения были уже неоднозначными, а над Средиземным морем уверенно можно было определить только момент прохождения береговой черты. Поэтому на вооружение «Гагару-1» так и не приняли, но работы по совершенствованию инфракрасной поисковой аппаратуры продолжили.
С 1973 г. на вооружение стали поступать буи РГБ-НМ1 «Жетон», способные принимать низкочастотные шумы, лучше распространяющиеся в воде. Это повысило дальности обнаружения подводных лодок.
В 70-х годах проводились опытные работы по исследованию возможности дозаправки Бе-12 в воздухе с использованием системы «штанга-конус». Одну из амфибий оборудовали макетом заправочной штанги, установленной над кабиной штурмана. Роль заправщика играл Ан-12, оснащенный выпускаемым 50-метровым шлангом с конусом. Испытания проводились на базе ЛИИ в Жуковском, самолет пилотировали летчики-испытатели ОКБ В.Г. Панькин и Е.А. Лахмостов.
В апреле 1976 г. приняли на вооружение модифицированные Бе-12Н (изделие «ЕН»), на которых установили усовершенствованную поисково-прицельную систему. В ее состав вошли: авиационный магнитометр АМП-73С, доработанная РЛС «Инициатива-2БН», многоканальное унифицированное приемное устройство «Нара», прицельно-вычислительное устройство «Нарцисс» с анализатором цели.
Дополнительно к буям РГБ-Н на самолет стали подвешивать десять пассивных направленных буев РГБ-2 системы «Беркут», которые обеспечивали измерение пеленгов на подводную лодку относительно буя. В этот вариант серийные машины дорабатывались при прохождении капитального ремонта. Всего на Евпаторийском АРЗ было переоборудовано в Бе-12Н 27 самолетов. Магнитометр АМП-73С и ПВУ «Нарцисс» испытывались на серийных Бе-12, имевших № 6600602 и № 7600901 соответственно.
В 1981 г. четыре самолета Бе-12 (№№ 9601701, 0601801—0601803) были поставлены во Вьетнам. Планер, двигатели и оборудование соответствующим образом дорабатывались для эксплуатации в условиях тропиков. Самолеты не перегонялись своим ходом, а были доставлены морем из Одессы в Камрань.
Бе-12 (№ 0601904) был переоборудован на 20 АРЗ в городе Пушкин в летающую лабораторию для отработки головки самонаведения противокорабельной ракеты ЗМ-80 «Москит». При этом головная часть ракеты была установлена вместо РЛС «Инициатива». Остальное оборудование и рабочие места для трех операторов разместились на месте бывшего грузового отсека.
В 1983 г. один самолет был оснащен опытным образцом авиационного тепловизора «Наблюдатель», предназначенного для обнаружения кильватерных следов надводных кораблей и подводных лодок (в подводном и надводном положениях). Бе-12 с «Наблюдателем» летал в Таганроге, Геленджике и Феодосии, и если с обнаружением кильватерного следа кораблей все было в порядке, то в случае с погруженной подводной лодкой повторилась история с «Гагарой». Получения четкого контакта с подводной целью от аппаратуры добиться так и не удалось.
На Бе-12 установили 42 официально зарегистрированных международных рекорда. В документах FAI машина была заявлена как М-12.
Первые два Бе-12 поступили в 33-й Учебный центр авиации ВМФ в Николаеве весной 1964 г., где развернулось переучивание летно-технического состава на новую машину (летали амфибии с грунтового аэродрома 555-го противолодочного смешанного авиаполка в Очакове).
Первыми в июле-августе 1965 г. Бе-12 получил 318-й оплап дц Черноморского флота (полностью переучивание закончилось в апреле 1968 г.). В 1967 г. самолет освоили летчики отдельной противолодочной эскадрильи авиации ТОФ, а в 1968 г. 403-го отдельного противолодочного полка авиации СФ. В марте 1970 г. последней в Авиации ВМФ переучилась на Бе-12 17-я отдельная противолодочная авиационная эскадрилья дальнего действия Балтийского флота.
С началом массового переучивания начались проблемы с РЛС «Инициатива». У нее рвались волноводы, в результате чего станция большую часть времени была «не в строю». Разработчики «Инициативы» весьма упорно и энергично перекладывали всю ответственность на ОКБ-49, считая, что корень всех зол кроется в конструкции самолета. Для принятия окончательного решения все заинтересованные лица собрались на базе в 555-го оплап в Очакове.
Для радиоинженеров полеты Бе-12 с грунта, а не с обычной бетонной полосы оказались настоящим потрясением. На вопрос: «Почему это летчики так грубо садятся?» — присутствующие офицеры ответили, что садятся вполне нормально, а если и есть какие-то огрехи, так, во-первых, полоса грунтовая, а во-вторых, люди переучиваются. После этого претензии к конструкции планера сняли, а «Инициативу» общими усилиями довели «до ума», усилив раму и усовершенствовав ее амортизацию.
Новый самолет неоднократно демонстрировался на различных парадах и выставках. 9 июля 1967 г. на юбилейном воздушном празднике в Домодедово, посвященном 50-летию Великой Октябрьской социалистической революции была показана тройка самолетов-амфибий Бе-12. Ведущим группы был полковник Б.В. Жидецкий.
На одном из парадов произошел случай, чудом не повлекший трагических последствий. Над Тушино в день ВМФ над правительственной трибуной пролетали 12 самолетов-амфибий Бе-12 (четыре тройки). В этот момент один из самолетов третьей тройки столкнулся с птицей, разбившей лобовое стекло. Ранив летчиков, останки несчастного пернатого задели тумблеры панели центрального пульта управления. Летчики, придя в себя, сумели восстановить положение тумблеров и удержаться в строю. Только заходя на посадку, они попросили разрешения выйти из строя и сесть отдельно…
Из событий последних лет следует отметить участие пары Бе-12 из североморского 403-го оплап в главном военно-морском параде в честь 300-летия Российского флота, состоявшемся в Санкт-Петербурге 28 июля 1996 г.