Мощное вооружение советских бронеавтомобилей позволяло им почти на равных вести бой с японскими танками. В этом плане наиболее удачно действовали БА-10 из состава 9-й мотоброневой бригады. Утром 3 июля 1939 года около 40 японских танков атаковали позиции разведбатальона бригады, где стояла одна рота из 12 БА-10. При виде такого количества танков рота начала отход, но подоспевшими командиром и комиссаром бригады была остановлена и "поставлена на позицию с башнями, выдвинутыми из-за укрытия.
Тем временем танки противника подошли к нашей обороне на 800—1000 м. Броневики открыли сильный огонь бронебойными гранатами по танкам. Противник, в свою очередь, открыл огонь из 57-мм пушек осколочной гранатой. Завязался артиллерийский бой, который длился более двух часов. Противник, оставив девять танков, отошел. На участке 149-го стрелкового полка противник также понес потери и его атака была неудачной. Всего японцы потеряли 19 танков, не имея ни малейшего успеха и не нанося потерь нашим войскам".
К 20 июля в частях 1-й армейской группы насчитывалось 80 бронеавтомобилей БА-10. Общие же потери машин этого типа к концу операции составили 41 единицу. В отчетах по результатам боев отмечалось, что броня БА-10 не пробивается огнем 13,2-мм крупнокалиберного пулемета и представляет собой достаточно эффективную защиту.
БА-10 широко применялись Красной Армией в ходе "освободительного похода" в Западную Украину и Западную Белоруссию и Зимней войны. С первых дней Великой Отечественной войны они участвовали в боях с немецкими войсками.
В связи с приближением фронта непосредственно к Ижорскому заводу, производство бронеавтомобилей БА-10 в сентябре 1941 года было переведено на Балтийский завод в Ленинград. На этом предприятии из оставшегося задела Ижорского завода изготовили несколько десятков броневиков, которые восполняли потери БА-10 и сыграли большую роль в обороне Ленинграда. Активно они использовались и при прорыве блокады.
Утром 18 января 1943 года в атаку на г. Шлиссельбург вместе с пехотой двинулся Отдельный разведывательный батальон под командованием Л.Легезы. Выкрашенные в белый цвет 19 БА-10 устремились вперед, перемалывая снег широкими гусеничными лентами "Оверолл", надетыми на задние колеса. К 10 часам утра огнем броневиков были уничтожены три орудия, несколько пулеметов и свыше 120 немецких солдат. К полудню город был взят.
Во время Великой Отечественной войны эти машины использовались в войсках до 1944 года, а в некоторых подразделениях до конца войны. Они хорошо зарекомендовали себя как средство разведки и боевого охранения, а при грамотном применении успешно боролись и с танками противника. Бронеавтомобили БА-10 жд входили в штат бронепоездов.
В отличие от своих предшественников — БА-3 и БА-6, бронеавтомобили БА-10 за рубеж почти не поставлялись. Насколько известно автору, единственной страной, которая получила эти машины, была Монгольская Народная Республика. В монгольской армии БА-10 эксплуатировались до начала 1950-х годов.
В качестве трофейных БА-10 использовались немецкими, румынскими и финскими войсками. В Вермахте БА-10 получили обозначение Panzerspahwagen BA 203(г) и в основном применялись в качестве штабных и связных машин теми частями, которые их захватили.
Довольно охотно немцы эксплуатировали вариант БА-10 жд, поскольку при движении по рельсам такой недостаток советской машины,как ограниченная проходимость, уже не имел значения. В составе германского бронепоезда № 102 (Pz.Sp.Zug.102), например, в августе 1941 года имелись четыре бронеавтомобиля БА-10 жд.
В ходе Зимней войны финны захватили десять броневиков БА-10. После начала так называемой Продолжительной войны (так в Финляндии официально именуются боевые действия против СССР в 1941—1944 годах) их число увеличилось — по состоянию на 1 июля 1943 года в войсках имелись 24 машины этого типа. В 1943 году броневики прошли модернизацию — на них установили двигатели "Форд" V-8 мощностью 95 л.с. В качестве учебных два бронеавтомобиля БА-10 эксплуатировались в финской армии вплоть до 1959 года.