ФАИ поступали на вооружение танковых частей Красной Армии. По состоянию на 25 марта 1936 года в семи (из 13) военных округах имелось 574 таких броневика. Больше всего их было в Киевском (129), Белорусском (113) и Забайкальском военных округах.
Боевое крещение бронеавтомобили ФАИ получили в Испании. Советские танки и броневики начали в массовом порядке прибывать в эту страну с начала декабря 1936 года и практически сразу бросались в бой.
Так, 20 декабря 1936 года танковую роту под командованием П.Цаплина в составе девяти танков Т-26 и шести бронеавтомобилей ФАИ в кузовах специально оборудованных тяжелых грузовиков перебросили на Арагонский фронт с задачей поддержать операцию по ликвидации Теруэльского выступа. 27 декабря танковая рота пошла в атаку. Бронемашины следовали за танками по дороге, ведя огонь вправо и влево по огневым точкам мятежников. Противник оказывал яростное сопротивление, забрасывая танки бутылками с бензином и ведя огонь из противотанковых пушек. В течение шести последующих дней рота Цаплина еще несколько раз ходила в атаку, но безуспешно. В ходе этих боев было потеряно четыре Т-26 и один ФАИ.
Всего же за годы гражданской войны в Испании СССР поставил республиканцам 33 бронеавтомобиля ФАИ.
В ходе конфликта у р.Халхин-Гол бронемашины этого типа использовались как советскими, так и монгольскими частями. Первые 15 броневиков ФАИ были отправлены в Монголию еще в 1936 году. К весне 1939 года в составе Монгольской народно-революционной армии имелось восемь кавалерийских дивизий, в каждой из которых полагалось иметь по штату девять бронеавтомобилей ФАИ. Однако не все дивизии были укомплектованы по полному штату, так что точно указать число бронемашин ФАИ в монгольских войсках на начало конфликта не представляется возможным. А вот в частях 1-й армейской группы Красной Армии по состоянию на 20 июля 1939 года насчитывалось 80 бронеавтомобилей ФАИ. Они активно использовались в боевых действиях по уничтожению японской группировки.
Боевые машины ФАИ принимали участие в "освободительном походе" в Западную Украину и Западную Белоруссию, а также в советско-финской войне.
Стремление усилить бронезащиту и вооружение легких броневиков неизбежно приводило к увеличению их боевой массы. Стандартное легковое шасси уже не могло выдерживать такую нагрузку — на ФАИ она превосходила номинальную примерно на 40%. В результате проходимость машины была довольно низкой на грунтовых дорогах (особенно в весенний и осенний периоды) и полностью отсутствовала на пересеченной местности.
В 1934 году появился трехосный автомобиль ГАЗ-ТК, спроектированный на Горьковском автозаводе как самоходное шасси для 76-мм динамо-реактивной пушки конструкции Л.В.Курчевского (ТК — "трехосный Курчевского"). По сути, машина эта была все тем же ГАЗ-А, но к его удлиненной раме на поперечной рессоре была подвешена третья ведущая ось, а в главной передаче установлены конические шестерни с большим передаточным числом для обеспечения лучших тяговых качеств при слабом 40-сильном двигателе ГАЗ-А.
Появление нового шасси стимулировало попытки решить проблему проходимости легких бронеавтомобилей.
В 1935 году Коломенский завод изготовил опытный образец бронеавтомобиля ГАЗ-ТК, установив на одноименном шасси удлиненный корпус ФАИ. При том же вооружении и броне новый бронеавтомобиль имел более просторное боевое отделение, что позволило оборудовать его радиостанцией и ввести третьего члена экипажа — радиста. Заметно возросла проходимость машины. Преодолеваемый подъем достигал 22°. Однако из-за того, что боевая масса возросла до 2,62 т, максимальная скорость снизилась до 63 м/ч. Несмотря на то, что удельное давление ГАЗ-ТК составляло всего 1,8 кгс/см2
, маломощный двигатель и ненадежная ходовая часть не позволили довести динамические характеристики броневика до необходимого уровня.