В 222-й дивизии «Митчеллы» применялись в основном в качестве ночных бомбардировщиков, наносивших удары по железнодорожным узлам, аэродромам, узлам сопротивления немцев. С декабря 1942 г. до середины лета 1943 г. «Митчеллы» действовали по объектам врага в Белоруссии, в сентябре участвовали в подавлении вражеских дальнобойных батарей под Ленинградом. Позднее они совершали дальние рейды на Варшаву, Бреслау, Кенигсберг, Тильзит, Берлин, в 1944 г. 222-я дивизия разрушила железнодорожный узел Дебрецен в Венгрии.
С конца 1942 г. большая часть бомбардировщиков В-25 поступала из Америки по АЛСИБу (через Аляску и Сибирь). Всего в СССР по программе ленд-лиза было отправлено 870 экземпляров В-25, из которых до места назначения долетела 861 машина. В целом в начале 1944 г. В-25 составляли около 10 % авиапарка АДД. К концу того же года все корпуса АДД, кроме 2-го гвардейского, имели В-25, а в 4-м гвардейском корпусе он являлся основным типом. К 1 января 1945 г. 18-я воздушная армия (преемница АДД) обладала 320 «Митчеллами», которые составляли примерно пятую часть всей ее техники.
В-25 применялся у нас и как дальний разведчик. Первые три самолета этого типа поступили в 4-й и 40-й дальнеразведывательные полки в ноябре 1942 г. Впоследствии по нескольку машин такого типа имели различные разведывательные полки и эскадрильи ВВС и морской авиации. Помимо этого, «Митчеллы» имелись и в учебных частях, таких как учебный полк Военно-воздушной академии и 1-я высшая офицерская школа ночных экипажей АДД.
Интересна судьба одного из самолетов В-25, попавшего в СССР в апреле 1942 г. не совсем обычным путем. Этот самолет участвовал в знаменитом рейде американских бомбардировщиков В-25 на Токио. Главнокомандующий армейской авиацией США генерал Генри Арнольд назначил командиром группы подполковника Джеймса Дулиттла, одного из самых опытных летчиков-испытателей.
Подполковник Дулиттл для участия в полете отобрал группу добровольцев. Так как японские сторожевые корабли обычно размещались на расстоянии 500 миль от Японских островов, то для обеспечения скрытности операции бомбардировщики В-25В должны были взлететь с авианосца на дальности 550 миль. Все лишнее оборудование с самолетов сняли, а взамен поставили дополнительные топливные баки, чтобы довести дальность полета до 2000 миль. Каждый самолет нес четыре 500-фунтовые бомбы, для экономии веса с них сняли башенные установки 12,7-мм пулеметов. Кроме того, сняли часть радиооборудования, дорогостоящий бомбовый прицел заменили примитивным самодельным устройством. Хвостовая турель была заменена деревянным макетом, который должен был изображать пулеметы.
Планом операции предусматривалось, что головной самолет подполковника Дулиттла сбросит на Токио зажигательные бомбы, чтобы вызвать пожары. Ориентируясь на их пламя, через 3 часа сбросят бомбы еще 12 самолетов, а 3 оставшихся бомбардировщика атакуют Нагою, Кобе и Осаку. После атаки самолеты должны были лететь в Китай и садиться на аэродромы, принадлежащие войскам Чан Кайши. Поскольку ни один из пилотов-добровольцев еще не взлетал на бомбардировщике В-25 с авианосца, 3 февраля 1942 г. состоялись тренировочные полеты двух машин с палубы авианосца. 2 апреля 1942 г. из Сан-Франциско вышел авианосец Hornet с 16 бомбардировщиками В-25В на его летной палубе. Hornet соединился 13 апреля с авианосцем Enterprise, который обеспечивал прикрытие с воздуха, образовав 16-е оперативное соединение. В это соединение, помимо двух авианосцев, входили четыре крейсера, восемь эскадренных миноносцев и два танкера.
Японцы, проанализировав данные радиоперехватов, догадались, что американцы готовят какую-то операцию. Объединенный штаб японского флота приказал авиации ВМФ сконцентрироваться в районе Токио, а также привести в боевую готовность патрульные суда береговой охраны. Рано утром 18 апреля, приблизительно в 650 милях от японского побережья, один из японских сторожевых кораблей заметил американскую эскадру. Хотя американцы его быстро потопили, но, учитывая вероятность передачи сторожевиком по радио сигнала тревоги, командующий 16-м оперативным соединением адмирал У. Халсей срочно пересмотрел первоначальный план, которым предусматривался взлет бомбардировщиков в полдень 19 апреля, и приказал группе взлетать немедленно. Самолет Дулиттла оторвался от палубы первым в 8:20 утра 18 апреля, а последний самолет взлетел в 9:20, после чего группа взяла курс на Токио. Сразу же после взлета последнего самолета авианосное соединение развернулось и полным ходом ушло из этого района, опасаясь атаки японцев.