Военное ведомство выкупило «Муромца» и заказало на Русско-Балтийском Вагонном заводе большое количество самолетов этого типа, строившихся несколькими сериями с довольно значительными изменениями. Самолеты различались и размерами, и типом применяемых моторов, и даже их количеством. Двухмоторные машины использовались для учебных полетов, четырехмоторные — в качестве бомбардировщиков и разведчиков. Они могли брать на борт бомбы массой по 5, 15 и даже 25 пудов (410 кг), а также специальные кассеты с маленькими оперенными стрелками, с успехом применявшимися против конницы. Тяжелые бомбы, не влезавшие в бомбоотсек, подвешивали под фюзеляж. Оборонительное вооружение «Муромца» состояло обычно из трех-пяти подвижных пулеметов пехотного калибра, два из которых размещались над верхним крылом, один — в стрелковой точке на хвосте (на машинах поздних серий), а еще два могли размещаться в окнах по бокам фюзеляжа. К концу войны количество пулеметов возросло на некоторых самолетах до шести — восьми.
Первый же серийный бомбардировщик типа Б был изготовлен в конце августа 1914 г. На нем впервые появились и опознавательные знаки ВВС России. К концу 1915 г. на РБВЗ были построены 32 самолета.
Первоначально каждый самолет с частями обеспечения приравнивался к боевому отряду. При этом все «Муромцы» получали обозначение «Воздушный Корабль». В те годы командование Российской армии четко понимало, что такие самолеты являются если и не чудо-оружием, то уж точно национальной гордостью империи. Не случайно на должности командиров кораблей назначалась элита русской военной авиации — летчики-инструкторы Гатчинской военной школы летчиков.
Уже в ходе войны, в декабре 1914 г., все действовавшие на фронте «Муромцы» были сведены в Эскадру. Она стала особой силой в Российской Армии и подчинялась непосредственно Верховному командованию. Соответственно, была выработана тактика и стратегия применения крупных соединений тяжелых бомбардировщиков (опять же впервые в мире). Следует особо подчеркнуть тот факт, что именно дата создания Эскадры 23 декабря (10 декабря по старому стилю) стала считаться днем рождения Российской тяжелой, а ныне Дальней Авиации.
В1915-1916 гг. «Муромцы» интенсивно применялись на германском фронте — от Бессарабии до Польши. На смену машинам типа Б постепенно приходили самолеты серий В, Г, Е улучшенной конструкции фюзеляжа и крыла, а также с более мощной силовой установкой. Мало того, по образу самолетов последних модификаций на старых машинах переделывали крылья.
При этом «Муромцы» серии Е, оснащенные 225-сильными моторами «Рено», по своим размерам и взлетной массе (свыше 7000 кг) превосходили все предыдущие самолеты Сикорского. При этом их бомбовая нагрузка выросла до 800 кг.
Бомбардировщики и разведчики «Илья Муромец» активно участвовали в боевых действиях. При этом непосредственно в боях был потерян лишь один единственный «Илья Муромец», сбитый германскими истребителями 12 сентября 1916 г. А18 июня 1917 г. произошел уникальный воздушный бой, в ходе которого экипаж «Муромца» сбил пять из восьми нападавших на него вражеских самолетов. Несмотря на то, что все члены экипажа были ранены, самолет дотянул до своего аэродрома.
К началу 1917 г. в четырех отрядах Эскадры воздушных кораблей и на главной базе насчитывалось до 30 «Муромцев». По тем временам это была грозная сила. В 1917 г. предполагалось заложить еще порядка 80-120 тяжелых бомбардировщиков, а конструктору вменялось в обязанность к 1918 г. разработать перспективный самолет варианта «Ж».
Однако февральская революция 1917 г. поставила крест на всей программе развития тяжелой бомбардировочной авиации России. В ходе антивоенного саботажа все активнее (возможно, не без влияния германской агентуры) высказывалось мнение о прекращении производства «Муромцев», как ненадежных и бесперспективных военных самолетах. На все это накладывались революционные события, приведшие почти к полному развалу армии. Уже весной прекратилось комплектование отрядов Эскадры и боевая подготовка экипажей, вскоре развалилась вся система снабжения. Последние боевые вылеты экипажи «Муромцев» выполнили в сентябре 1917 г. В октябре, в результате прорыва германской армии и в условиях реальной угрозы захвата самолетов немцами, большая часть воздушных кораблей была сожжена.
Оставшиеся «Муромцы» впоследствии участвовали в Гражданской войне в составе Красной Армии.