Первый опыт боевого применения СБ, как говорилось выше, был получен в ходе Гражданской войны в Испании. 23 октября 1936 года пароход «Старый Большевик» доставил в испанский порт Картахена первые бомбардировщики СБ-2М-100, где республиканцы дали ему прозвище «Катюшка». Вместе с ними в Испанию прибыли летчики-добровольцы и технический персонал. После сборки в Лос-Альказаресе машины отправили на фронт в район Томеллосо, откуда они 28 октября совершили первый боевой вылет. Появление СБ над аэродром Таблада под Севильей СБ стало неожиданностью для франкистов, чья авиация господствовала в воздухе. Особенно удачными стали удары 30 октября и 1 ноября 1936 года по авиабазе в районе Гамонала, где дислоцировались итальянцы. Лишь в последнем налете были уничтожены на земле шесть истребителей CR 32 компании «Фиат». Первый СБ потеряли 2 ноября в районе Талавера. Разведчик был перехвачен парой CR 32. Напомню, что максимальная скорость биплана CR 32, испытанного в Советском Союзе, не превышала 340 км/ч, а его довольно сильное вооружение для 1937 года включало два синхронных пулемета калибра 12,7 мм и два 7,7-мм на нижнем крыле. Так открылась боевая «страница» в истории СБ.
До конца 1936 года из 31 самолета, доставленного в Испанию, потеряли шесть машин, из них две были сбиты в воздушных боях. Слабым местом СБ оказалась нижняя полусфера из-за плохого обзора и недостаточных углов обстрела из люковой установки.
Серьезным противником СБ стал истребитель Bf 109B, развивавший (по результатам испытаний в НИИ ВВС) скорость до 422 км/ч и способный перехватывать бомбардировщики на высотах до 6600 метров.
Работа экипажей СБ в Испании была очень напряженной, и перечислить все сражения в столь небольшом объеме невозможно. Отмечу лишь, что 26 мая 1937 года группа бомбардировщиков под командой Н.А. Острякова атаковала и бомбила немецкий карманный линкор «Дойчланд», приняв его за франкистский крейсер «Канарис». В ответ Гитлер приказал адмиралу Шееру обстрелять из эсминцев испанский порт Альмерия, что привело к большим жертвам среди мирного населения. К тому времени в Испании осталось около десятка боеспособных СБ.
Пополнение из 21 СБ прибыло в конце июня, а вслед за ними и последняя партия из десяти машин. Это, безусловно, повысило обороноспособность ВВС республиканцев, но ненадолго. Война шла к своему завершению.
После поражения республиканцев 19 уцелевших СБ стали трофеями франкистов и состояли на вооружении испанских ВВС до 1950 года. При этом моторы М-100А заменили французскими «Испано-Сюиза».
В 1937 году А.А. Архангельский, будучи главным конструктором завода № 22 имени Горбунова, приступил к дальнейшей модернизации СБ. Первым делом он установил на самолет 960-сильные двигатели М-103. Летные испытания улучшенного СБбис начались в сентябре. Но при старой компоновке силовой установки с лобовым радиатором прирост скорости на высоте 4000 метров не превысил 7 км/ч. Тем не менее в октябре летчик М.Ю. Алексеев установил на модернизированном СБбис мировой рекорд, подняв 1000-кг груз на высоту 12 246 метров. Но стоило разместить водорадиаторы в тоннелях, как скорость СБ подскочила до 450 км/ч. При этом наивыгоднейшее аэродинамическое качество машины возросло до 12,75. Одновременно под крылом разместили дополнительные бомбодержатели, что позволило довести суммарную бомбовую нагрузку до 1500 кг. Емкость топливных баков самолета составила 1678 литров. Кроме этого, в перегрузочном варианте была предусмотрена подвеска под крылом двух баков объемом 720 литров.
Учитывая, что скоростные характеристики тогда считались одними из главных, машину запустили в серийное производство. Осенью 1937 года СБ с двигателями М-103 прошел государственные испытания. Контрольные же испытания серийных СБ в НИИ ВВС показали, что скорость машины по сравнению с опытным образцом снизилась и не превышала 430 км/ч. Последние серии СБ-2М-103 оборудовались турелью МВ-3 и доработанной люковой установкой. В строевых частях СБ с М-103 получил прозвище «Щука», которые впервые проверили в боевой обстановке на Халхин-Голе. В Монголии они применялись в одном строю с машинами, укомплектованными моторами М-100А, и по этой причине не могли реализовать свои скоростные преимущества, ориентируясь на худший самолет. В итоге полет проходил на высотах 4000–4500 метров со скоростью 280–300 км/ч, и зенитная артиллерия противника легко сбивала наши бомбардировщики.
То же самое повторилось и во время войны с Финляндией, когда в одном строю летали машины как с моторами М-100А, так и М-103А. «Щуки» состояли на вооружении, в частности, 50-го скоростного бомбардировочного авиаполка (сбап).
Для переучивания пилотов на СБ в марте 1938 года был выпущен учебный вариант УСБ с открытой кабиной инструктора, расположенной в носовой части фюзеляжа.