С первых дней войны летающие лодки были использованы для поддержки сухопутных войск. 22 и 23 июня 1941 г. МБР-2 43-й отдельной эскадрильи, базировавшейся на озере Дурбе в 40 км от Либавы, помимо обеспечения развертывания подводных лодок из Либавы в Балтику и прикрытия минных постановок, совершили более 100 вылетов на поддержку войск оборонявших город. Сил 43-й эскадрильи оказалось явно недостаточно, но это было все, что мог выделить флот. К исходу 23 июня, когда немцам удалось замкнуть кольцо вокруг Либавы и немецкие танки вышли к озеру Дурбе, 43-й эскадрилье пришлось срочно перебазироваться на озеро Киш вблизи Риги. Там летчики 43-й омраэ совместно с экипажами МБР-2 41-й морской отдельной разведывательной эскадрильи продолжали наносить удары по наступающим немецким войскам вплоть до оставления Риги 30 июня. Оперативная обстановка на Ленинградском направлении продолжала ухудшаться, и для того, чтобы задержать немцев, на поддержку сухопутных частей бросили не только разведывательную, но и большую часть бомбардировочной и минно-торпедной авиации Краснознаменного Балтийского флота.
Господство в воздухе принадлежало противнику, поэтому каждый вылет МБР-2 на воздушную разведку днем сопровождался потерями. 1 июля финские Фоккеры D.XXI сбили пару МБР в районе острова Гогланд. 6 июля пара МБР-2 15-й эскадрильи (ведущий — экипаж командира звена лейтенанта Куликова, ведомый — экипаж лейтенанта Бондаренко) при возвращении из разведки на подходе к Ирбенскому проливу была перехвачена четверкой истребителей. Самолет ведущего сбили сразу, и он упал в море. Самолет Бондаренко загорелся от попадания в бензобак. Раненый летчик все же сумел посадить горящий самолет на воду, но в конце пробега МБР-2 взорвался. Летчика и штурмана взрывом выбросило из кабины, стрелок-радист погиб. 8 июля «мессершмитты» сбили над Ирбенами еще пару МБР. Впрочем, иногда доставалось и немцам. 27 июня в воздушном бою с МБР-2 получил ранение пилот Ju-88 из 1./KGr806, а Аг-196 из 2./SAGr.125 4 июля вообще был сбит у Либавы (его экипаж остался невредим). Поскольку применение тихоходных МБР-2 днем без прикрытия истребителей вело к большим потерям, с 20 июля «амбарчики» начали использоваться как ночные бомбардировщики.
С начала июля летающие лодки 15-й мрап наносили удары по частям 4-й немецкой танковой группы в боях на реке Луга. МБР-2 бомбили танки у озера Долгое, колонны немецкой мотопехоты в районах Поречье и Осьмино. После прорыва немецкого 41-го моторизованного корпуса МБР-2 поддерживали наши части у озера Самро. Ночи становились длиннее, цели находились на небольшом удалении от аэродромов базирования, и экипажи успевали сделать 2–3 вылета за ночь. Всего в июле-августе 1941 г. экипажами 15-го мрап совершено более 300 вылетов на поддержку наших сухопутных войск под Ленинградом. С начала августа к обороне главной базы КБФ — Таллина — стали привлекаться МБР-2 44-й эскадрильи. Летчики провоевали под Таллином до 26 августа, когда немцы вплотную подошли к городу и самолетам эскадрильи пришлось перелететь в Ленинград.
Для обороны островов Моонзундского архипелага была сформирована специальная авиагруппа ВВС флота, оперативно подчиненная коменданту береговой обороны Балтийского района. В состав группы входили МБР-2 из 15-й эскадрильи, базировавшиеся на аэродроме Кихелькона (о. Эзель), а затем и летающие лодки 81-й эскадрильи, переброшенной с Ханко. МБР-2 Моонзундзской авиагруппы, помимо применения в качестве бомбардировщика, морского разведчика, противолодочного самолета, использовались как импровизированные минные тральщики. Стремясь нарушить наши коммуникации, немцы практически ежедневно ставили с воздуха неконтактные мины в Моонзундском проливе. Из-за отсутствия электромагнитных тральщиков их роль пришлось взять на себя «амбарчикам». По данным береговых постов, летающие лодки бомбили места падения мин, стремясь вызывать либо их детонацию, либо выход из строя от гидравлического удара аппаратного блока взрывателя.
27 августа крупные надводные корабли КБФ покинули Рижский залив, 28 августа был оставлен Таллин. А затем повторилась ситуация Либавы и Риги. С началом высадки немцев на остров Муху 14 сентября МБР-2 поддерживали защитников острова. Но силы гарнизона Моонзунда и немецкой группировки были неравными. 18 сентября аэродром Кихелькона оказался под обстрелом, и оставшиеся в строю самолеты перелетели в Ленинград.
В качестве противолодочных самолетов МБР-2 на Балтике сопровождали конвои на коммуникациях Ханко — Таллин, Моонзунд — Таллин, Таллин — Ленинград, обеспечивали развертывание подводных лодок на позиции в Балтийском море и вели свободный поиск подводных лодок.
Противолодочный поиск самолеты осуществляли в 50–70 милях от наших баз и, кроме того, на выходе из финских шхер. В качестве средств поражения субмарин применялись в основном обычные фугаски ФАБ-50 и ФАБ-100 либо специальные противолодочные бомбы ПЛАБ-100. Эффективность применения МБР-2 как самолета ПЛО снижалась отсутствием каких-либо технических средств обнаружения лодок. Тем не менее МБР-2 обнаруживали лодки 22 раза. Из них три — в надводном положении, остальные — на перископной глубине. 6 июля подводная лодка М-102 в охранении двух торпедных катеров южнее острова Осмусаар была атакована подводной лодкой противника. Уклонившись от торпед, командир М-102 вызвал авиацию. Звено МБР-2 пробомбило место вероятного нахождения вражеской субмарины, а затем начало охранять маленький конвой. 3 августа пара МБР-2 безуспешно атаковала подводную лодку на Восточном плесе.
Из всех атак МБР-2 подводных лодок противника на Балтике успешной можно признать только одну. 9 июля пара МБР-2 из 81-й омраэ, западнее о. Бенгтшер (13 миль юго-западнее Ханко), обнаружила вражескую субмарину. Атака с высоты 300 м оказалась для подводников совершенно внезапной. Самолеты сбросили по четыре бомбы ФАБ-50, и, хотя прямых попаданий не было, несколько бомб разорвались вблизи борта лодки. Субмарина находилась на поверхности еще полторы минуты, но бомб для повторной атаки на самолетах уже не было. Барражируя в течение получаса над местом погружения, экипажи летающих лодок наблюдали постепенно увеличивавшееся в размерах масляное пятно. Вероятно, была повреждена немецкая подводная лодка U-149. Несмотря на очень скромные успехи в роли противолодочных самолетов, само присутствие МБР-2 стесняло действия подводных лодок противника. Даже в тех случаях, когда самолет не обнаруживал лодку, а на лодке обнаруживали патрулирующие самолеты, она отказывалась от атаки.
После перелета 81-й эскадрильи с Ханко на о. Эзель на прежнем месте базирования осталось одно звено МБР-2. Эти три машины использовались при обороне Ханко как бомбардировщики, срывая попытки финнов высадиться на островах архипелага. Последний МБР-2 перелетел из Ханко в Ленинград 29 октября.
Подводя итоги боевого применения в 1941 г. на Балтике, надо отметить, что за два первых военных месяца (июль-август) авиация КБФ потеряла около двух третей МБР-2. Если в войну флот вступил, имея 151 машину, то на начало сентября 1941 г. в боевом составе авиации флота их осталось всего 56. Только 15-й мрап к концу 1941 г. потерял 40 экипажей и 75 МБР-2 (в основном в воздушных боях). Полное несоответствие МБР-2 требованиям, предъявляемым к морскому разведчику, привело к тому, что его карьера в этом качестве закончилась в первые же месяцы войны. Но как ночной бомбардировщик летающая лодка имела куда больший успех.
С началом войны аэродромы противника были предметом особого внимания для балтийских морских летчиков. Для работы по немецким аэродромам, особенно в 1941–1942 гг., привлекались все рода флотской авиации. Начиная с июля, по аэродромам стали действовать в качестве ночных бомбардировщиков и МБР-2. Первый налет «амбарчиков» состоялся в ночь на 24 июля 1941 г. по аэродрому Выскотка. В дальнейшем гидросамолеты систематически по ночам бомбили прифронтовые аэродромы немцев в Северской, Котлах, Выскотке, Гдове, Лысино, Смуравьево и Раквере.
В первые месяцы войны МБР-2 выполняли удары, как правило, в составе звена или пары, сбрасывая бомбы серией по 4–6 бомб (фугасные ФАБ-50 или ФАБ-100, и осколочные АО-15 и АО-25), на летное поле или на стоянки (если было известно их расположение). В дальнейшем тактика действий изменилась. Теперь бомбардировочные удары по аэродромам выполнялись в течение всей ночи одиночными самолетами с интервалами в 15–30 минут. Такие удары не только изматывали немцев, но нередко приводили к чувствительным потерям. Так, ночью на 30 сентября
1942 г. четыре МБР-2 по очереди сбросили на немецкий аэродром в Красногвардейске (Гатчина) 20 ФАБ-100 и 15 АО-15. Согласно донесениям противника, в результате этой бомбежки были уничтожены два пикирующих бомбардировщика Ju-87 и поврежден истребитель BM09G-2. Обе «штуки» входили в состав 7./StG1, «мессер» — в Stab JG77.
Вообще, следует отметить, что именно МБР-2 поработали по аэродромам противника значительно больше других машин. Всего за войну ВВС КБФ выполнили по аэродромам противника 1534 самолета-вылета. Из них на МБР-2 приходится 678, больше всего в авиации флота. Находящиеся на втором месте истребители выполнили только 375 самолето-вылетов.
Кроме того, в течение всей блокады Ленинграда МБР-2 действовали по ночам на немецких прифронтовых коммуникациях, наносили удары по железнодорожным станциям и эшелонам. Основными районами действий летающих лодок были Петергоф, Стрельна, Урицк, Ропша, Гатчина, Синявино, железнодорожные станции Луга, Нарва, Волосово, Кингисепп. Нередко результат от атак был весьма эффектным, как 9 февраля 1943 г., когда в результате бомбежки станции Нарва семеркой МБР-2 на воздух взлетели три вагона с боеприпасами для береговой артиллерии.
Еще одной задачей летающих лодок стало участие в борьбе с дальнобойной артиллерией немцев, обстреливавшей город. Ночью МБР-2 патрулировали над огневыми позициями дальнобойных батарей, сбрасывая свои бомбы на вспышки выстрелов. Однако тут эффект от действий «амбарчиков» был невелик, поскольку орудия были защищены земляными валами, и для их уничтожения требовалось положить бомбу прямо в орудийный дворик, что ночью было очень сложной задачей.