Но, находившийся в самом зените своей карьеры, МБР-2 уже стремительно устаревал. Командование авиации ВМФ не удовлетворяли его невысокие летные данные, прежде всего маленькая скорость, слабое оборонительное вооружение и малая бомбовая нагрузка. Кроме того, строящемуся «большому флоту» требовались не ближние, а дальние морские разведчики. Поэтому на состоявшемся 20 мая 1939 г. заседании Главного военного совета ВМФ было признано необходимым «авиацию РКВМФ, наряду с сухопутными типами самолетов, вооружать морскими лодочными гидросамолетами с большой мореходностью и дальностью, способными обеспечить тесное взаимодействие с флотом и непрерывность действия». Но пока все тот же завод № 31 осваивал производство цельнометаллических дальних разведчиков ГСТ (лицензионная PBY-1 «Каталина») и отечественного МДР-6 разработки И.В. Четверикова, вновь формируемые авиационные части требовалось укомплектовывать техникой, и производство МБР-2, правда во все меньших количествах, продолжалось.
16 сентября 1939 г. приказом наркома ВМФ на Северном флоте был сформирован 118-й морской ближнеразведывательный авиационный полк трех-эскадрильного состава, в который передавались 18 МБР-2 с экипажами из 15-го авиационного полка Балтийского флота. Поскольку все явственней вырисовывалась перспектива войны с Финляндией, то гидросамолеты не перевозились разобранными по железной дороге, как обычно, а перегонялись. МБР-2 вылетели из Ленинграда на Север 23 сентября тремя группами, несмотря на сложные метеоусловия на маршруте. Перегон закончили 4 октября, но при этом в авариях разбили две машины.
После заключения осенью 1939 г. «Пактов о взаимопомощи» с Эстонией и Латвией, СССР, наконец, удалось получить многочисленные морские и воздушные базы, расположенные практически по всей акватории Балтийского моря. Вместе с кораблями и подразделениями береговой обороны на новые базы стали перебрасываться авиационные части. Первой из состава ВВС КБФ в Прибалтику перебазировалась 10-я авиабригада, только что сформированная 25 октября 1939 г. В ее состав входили 12-я (с 3 декабря
1939 г. — 15-я), 43-я и 44-я морские ближнеразведывательные авиационные эскадрильи (мбраэ), каждая из которых имела по 12 гидросамолетов МБР-2. 15-ю и 44-ю мбраэ планировалось разместить на эстонских гидроаэродромах в Кихельконне (о. Эзель) и Палдиски, 43-ю мбраэ — в латвийской Лиепае.
В 0 ч 15 мин 30 ноября 1939 г. всеми средствами связи Балтийского флота был передан условный сигнал «Факел», означавший начало боевых действий против Финляндии. Начавшаяся война стала первым серьезным испытанием для гидросамолетов МБР-2 и их экипажей.
К ноябрю 1939 г. в ВВС КБФ МБР-2 находились на вооружении 10-й авиационной бригады, базировавшейся на морские аэродромы Прибалтики, а также 18-й, 41-й, 58-й омбраэ 12-го и 44-го отдельных авиационных отрядов, базировавшихся на гидроаэродромах в восточной части Финского залива и побережья Ладожского озера. Всего к началу боевых действий в частях насчитывалось 124 гидросамолета (из них 114 боеготовых). В задачи морской авиации входило уничтожение, во взаимодействии с другими силами флота, кораблей противника, блокада побережья Финляндии и обеспечение собственных морских коммуникаций.
С первых же дней войны и до конца конфликта МБР-2 вели воздушную разведку устья Финского залива и северной части Балтийского моря. Поскольку залив, естественно, замерз, то летали с сухопутных аэродромов, поставив гидросамолеты на лыжное шасси. Кроме того, летающие лодки активно привлекались для борьбы с финским судоходством и ударов по различным береговым объектам финнов, как днем, так и ночью.
В то же время война ясно показала, что МБР-2 уже не может быть основным флотским самолетом-разведчиком. Когда в январе-декабре потребовалось получить точные сведения о финских береговых батареях, защищавших приморские фланги «Линии Маннергейма», хорошо прикрытых зенитной артиллерией, выяснилось, что МБР-2 этого сделать не могут (прежде всего из-за малой скорости). Поэтому пришлось срочно устанавливать фотоаппараты на бомбардировщики СБ и наскоро обучать их экипажи основам тактики ведения воздушной разведки.
Еще одной задачей, возложенной на летающие лодки, стало спасение экипажей сбитых самолетов, с чем они справлялись вполне успешно. 2 февраля 1940 г. МБР-2 из 18-й омбраэ вывез в Ораниенбаум раненых летчика и стрелка-радиста бомбардировщика СБ, совершившего вынужденную посадку на лед после атаки финских истребителей между островами Соммерс и Нерва. Пилотировавший «амбарчик» капитан А.А. Губрий 21 апреля 1940 г. был удостоен звания Героя Советского Союза.