Под обозначением Т-10М он был принят на вооружение Советской Армией и запущен в серийное производство в Ленинграде в 1957 году, одновременно в Челябинске предусматривался выпуск объекта 743, который отличался в основном конструктивными изменениями в приводах управления трансмиссией, бортовых редукторах и топливной системой. Такое положение не соответствовало требованиям стандартизации и унификации вооружения и военной техники, однако танки с этими конструктивными отличиями находились в серийном производстве почти 5 лет, и только в 1962 году на обоих заводах был организован выпуск танка Т-10М на основе объекта 272.
В конструкцию Т-1 ОМ неоднократно вносились изменения. С 1939 года зенитными пулеметами, например, комплектовался только каждый пятый танк. В 60-х годах 8-ступенчатую коробку передач заменили на более простую 6-ступенчатую. С 1963 года Т-10М оборудовали системой ОПВТ, что позволяло преодолевать по дну преграды глубиной до 5 м. С 1967 года в боекомплект начали включать выстрелы с бронебойно-подкалиберными и кумулятивными снарядами.
Танки Т-10 первоначально поступали на вооружение тяжелых танкосамоходных полков. С 1947 года один такой полк входил в штат танковой и механизированной дивизии. По мере поступления в войска все большего количества танков Т-10, а затем и Т-10А, Т-10Б и Т-10М началось формирование тяжелых танковых дивизий. Каждая такая дивизия имела два полка тяжелых и один полк средних танков. В 50 и 60-х годах в составе Группы Советских Войск в Германии имелось два таких соединения — 13-я и 25-я гвардейские тяжелые танковые дивизии.
«Десятки» на экспорт не поставлялись и в боевых действиях не применялись. За исключением маневров единственная крупная операция, в которой пришлось участвовать танкам Т-10М, операция «Дунай» — ввод войск Варшавского Договора в Чехословакию в 1968 году.
В 1966 году производство Т-1 ОМ прекратили. По западным данным, было выпущено около 8000 танков Т-10 всех модификаций. Если это соответствует истине, то его можно считать самым массовым тяжелым танком в истории танкостроения.
В последующие годы, по мере поступления в войска современных боевых машин, танки Т-10, Т-10А, Т-10Б и Т-10М передавались в парки на долговременное хранение, а частично отправлялись на разделку. Формально же они были сняты с вооружения Российской Армии в 1993 году, то есть спустя 40 лет после принятия на вооружение.
Танк Т-10 послужил базой для создания многих опытных и серийных машин. В 1957 году был создан танк — объект 266, на котором опробовали гидромеханическую трансмиссию. В остальном это был обычный Т-10 с пушкой Д-25ТА, оснащенной, правда, стабилизатором. С 1953 по 1956 год испытывался опытный объект 269, предназначенный для отработки прицела-дальномера.
В 1956 году на испытания вышла единственная САУ, созданная на базе Т-10. Машина имела обозначение «объект 268» и была вооружена 152-мм пушкой М-64 с начальной скоростью снаряда 720 м/с. Орудие было установлено в просторной сварной рубке с толщиной лобовой брони 187 мм. На крыше рубки устанавливались 14,5-мм пулемет КПВТ и дальномер ТКД-09. Пушка была оснащена механизмом досылания лоткового типа. В боекомплект входило 35 выстрелов для пушки и 500 патронов к пулемету. Боевая масса машины равнялась 50 т, экипаж состоял из 4 человек. На вооружение эта самоходка так и не была принята.
Другая судьба была у более экзотической машины — подвижной атомной станции (объект 27). Этот аппарат, иначе не скажешь, массой 90 (!) тонн представлял собой удлиненное (аж 10 катков!) шасси танка Т-10 и ограниченно использовался на Крайнем Севере.
В 1957—1961 годах были разработаны проекты ракетных танков (объект 281 и объект 282), вооруженные противотанковыми ракетными комплексами. В 1962— 1963 годах на серийных Т-10 испытывались трехракетные пусковые установки с ПТУР 9М14 комплекса «Малютка». Все эти машины так и не вышли из стадии экспериментов. Примерно то же самое случилось и с пусковыми установками или, как их официально называли, стартовыми агрегатами для баллистических ракет. В виде проектов и даже опытных образцов они делались в великом множестве, но ни одна так и не пошла в серийное производство. Из всей этой плеяды наиболее известны две машины: объект 815для комплекса с РСД РТ-15 (8К96) разработки ОКБ-1 С.П.Королева, и объект 820 для ракетного комплекса с МБР РТ-20 (8К99) разработки ОКБ-586 М.К.Янгеля. Обе эти машины некоторое время участвовали в парадах на Красной площади, после чего и приобрели мировую славу.