Первые 20 СБ перелетели в Китай еще в 1937 году, а несколько позже - еще один отряд в составе 31 СБ под командованием известного летчика Ф.П. Полынина. Появление СБ буквально произвело фурор в военном небе Китая. Ведь японские истребители даже не могли угнаться за советскими скоростными бомбардировщиками. Скорость СБ в сочетании с мужеством и летным мастерством советских экипажей позволили проводить эффективные бомбежки скопления японских войск. Но в первую очередь СБ наносили удары по аэродромам, стремясь вывести из строя максимум вражеских самолетов. Это им удалось настолько, что к началу 1938 года уже японские ВВС переживали кризис. Японцы стали ощущать нехватку самолетов и решили их срочно закупить за границей.
Однако транспорт с разобранными самолетами на борту не решался заходить в Шанхай, который подвергался ожесточенным бомбежкам СБ. Было решено направить суда на Формозу (Тайвань), где ящики с самолетами сгружали, перевозили на аэродром, там самолеты собирали, облетывали, укомплектовывали экипажем и затем направляли по воздуху в Китай на фронт, на Шанхайский аэродром. Вот почему советские летчики предложили произвести дерзкий налет на аэродром Формозы на пределе дальности полета СБ. Удар было решено приурочить к годовщине РККА, 23 февраля 1938 года. Рано утром 28 скоростных бомбардировщиков под командованием Полынина поднялись в воздух с аэродрома Ханькоу. СБ неожиданно появились над Формозой, сбросили на аэродром 280 бомб, сожгли 40 уже собранных самолетов, стоявших на летном поле, разбили контейнеры с самолетами, ожидавшими сборки, разрушили ангары и подожгли склад с горючим.
Проведя 7 часов в воздухе и не потеряв ни одного самолета, группа вернулась в Ханькоу.
Апофеозом успехов СБ в небе Китая стал первый полет СБ над Японией. Обученные советскими инструкторами, летчики-китайцы в ночь на 20 мая 1938 года пролетели над японскими островами и сбросили миллион листовок.
В память о героических делах советских летчиков в городе Ухань был сооружен обелиск, на котором высечена надпись: "Память о советских летчиках вечно будет жить в сердцах китайского народа. Пусть этот благодатный дух пролетарского интернационализма, присущий рабочему классу, всегда развивает и укрепляет братскую нерушимую дружбу китайского и советского народов".
Скоростные бомбардировщики успешно сражались на Халхин-Голе и во время войны с Финляндией. В первые годы Великой Отечественной войны СБ также широко применялись в боевых действиях. К сожалению, значительная часть этих самолетов была сосредоточена на приграничных аэродромах, и они были выведены из строя из-за внезапного нападения фашистской Германии.
Тем не менее СБ продолжали воевать более года. Так, по свидетельству командующего 6-й воздушной армией Ф.П. Полынина, "к 10 июля 1942 года 6-я воздушная армия имела 74 бомбардировщика Пе-2, СБ и других типов".[12]
Статья из широко известного американского авиационного журнала "Флаинг Ревью Интернейшнл", посвященная истории СБ, заканчивается следующими словами: "В Советском Союзе было построено 6656 СБ и их модификаций. Стало ясно, что Советский Союз способен конструировать и внедрять в широкое производство военные самолеты, полностью удовлетворяющие техническим стандартам, и более передовые, чем в западных странах. Стал ясным и тот факт, что Андрей Туполев и Александр Архангельский оказались носителями более передовой технической мысли, чем их соперники на Западе, и что русские не являются, как многие из нас думают, приверженцами старых, архаичных чудовищ с гофрированной обшивкой, ранее жужжавших над Москвой".
На базе СБ был также начат серийный выпуск и пассажирских самолетов. В 1938 году состоялся первый полет этой серийной машины ПС-35.
Кроме того, конструкторы завершили большую работу по повышению высотности СБ. На его моторах установили турбонасосный агрегат, приводившийся в действие выхлопными газами двигателей, который был создан в ЦИАМе - Центральном научно-исследовательском институте авиационного моторостроения. В итоге самолет стал забираться на 8 километров.
Архангельский вообще внимательно следил за новинками техники и стремился их использовать. Так, в 1937 году, когда появились первые реактивные снаряды - РС, прозванные в годы войны "Катюшами", Архангельский тотчас же начал работу по подвеске эресов под крылом своего самолета. Тогда же зимой конструкторы прорабатывали оригинальную идею воздушного паравана. Против бомбардировщиков стали применять аэростаты воздушного заграждения. Эти аэростаты поднимались в небо на высоту около километра, привязанные к земле стальным тросом. Сотни таких аэростатов своими тросами мешали бомбардировщикам противника бомбить с малых высот. В противном случае самолет рисковал задеть крылом трос аэростата и погибнуть - такие случаи бывали.