Всего было выпущено 44 самолета Бе-4 (не считая двух прототипов). Из них во время войны 12 машин поступило на Черноморский флот, 12 — на Балтику, 4 — на Тихоокеанский флот. Остальные самолеты попали в строевые части уже после окончания боевых действий.
Первыми летом 1942 г. Бе-4 получили ВВС Черноморского флота. Поскольку обстановка на театре боевых действий в это время сложилась такая, что о службе на кораблях не могло быть и речи, все четыре гидросамолета были сведены в отдельное корректировочное звено с базированием в районе Туапсе. Осенью, после того как экипажи освоили свои машины, эта четверка вошла в состав 60-й отдельной авиационной эскадрильи. Затем новыми гидросамолетами была вооружена и 82-я отдельная эскадрилья, базировавшаяся на озеро Палеостоми в Поти. На Черном море Бе-4 использовались исключительно как базовые ближние морские разведчики, систематически просматривая 40-мильную прибрежную полосу и выполняя задачи ПЛО в границах военно-морских баз. Несколько раз в воздухе Бе-4 встречались с немецкими летающими лодками BV-138 и Do-24, однако каких-либо последствий эти столкновения не имели.
Только с изменением общей обстановки на фронтах в нашу пользу Бе-4 появились на борту боевых кораблей. На крейсере «Молотов» по решению ГКО № 4093 от 12 сентября 1943 г. установили модернизированную катапульту ЗК-1 а. В Батуми в августе 1944 г. с нее запускали грузовые макеты — «болванки», а в следующем месяце в Новороссийске начались сдаточные испытания. В акте от 24 октября 1944 г. отмечено, что «катапульта, проверенная многократными стартами самолетов Бе-4 и «Спитфайр», работает отлично и может быть допущена к эксплуатации».
В июне 1944 г. на ЧФ была сформирована 24-я отдельная эскадрилья корабельной авиации, в состав которой помимо Бе-4 вошли истребители «Спитфайр» MR.VB. В июле 1945 г. в составе этой эскадрильи насчитывалось 8 Бе-4.
На Северном флоте, практически всю войну не имевшем кораблей крупнее эсминцев, Бе-4 не служили. Однако в Арктике повоевать гидросамолетам Бериева все же пришлось. В 1943 г. немецкие подводные лодки начали активные действия на наших арктических коммуникациях. Наличных сил Северного отряда Беломорской военной флотилии для борьбы с немецкими «У-ботами» не хватало, поэтому, среди прочих мер, решено было отправить на остров Диксон два самолета Бе-4. Выбор пал на машины с заводскими номерами 28811 и 28812. При этом самолеты числились за Полярной авиацией и получили гражданскую регистрацию, соответственно — СССР-Н330 и СССР-Н331. Бе-4 НЗЗО пилотировал летчик В.В. Мальков, Н331 — М.В. Тейман.
Самолеты перелетели из Красноярска на Диксон и 2 августа 1943 г. начали противолодочное патрулирование. В качестве оружия использовались противолодочные бомбы ПЛАБ-100 и ПЛАБ-50. Единственное боевое столкновение имело место 28 августа, когда Бе-4 бомбили район (в 20 милях от м. Стерлигова), в котором немецкой субмариной был потоплен транспорт «Диксон». Результатов атаки летчики не наблюдали. В конце сентября резко похолодало и начался ледостав. Поэтому 21 сентября 1943 г. экипажи перегнали гидросамолеты по Енисею обратно в Красноярск. К этому времени НЗЗО налетал в Арктике 35 часов 15 минут, а Н331 — 31 час 20 минут.
На Балтике Бе-4 появились в 1944 г., когда первые 9 самолетов вошли в состав 29-й отдельной разведывательной эскадрильи. В начале 1945 г. в ней числилось 10 самолетов Бе-4: №№ 4770205, 4770301, 4770302, 4770303, 4770305, 4770401, 4770402, 4770403, 4770404, 4770405. Задачами гидросамолетов стало ведение противолодочного поиска, а также спасение экипажей со сбитых самолетов.
Например, 22 июля 1944 г., после нанесения удара по немецким кораблям, совершил вынужденную посадку в Финском заливе штурмовик Ил-2 из состава 8-го гвардейского штурмового полка 11-й штурмовой авиадивизии. Самолет быстро затонул, а пилот Кузнецов и стрелок Стрижак перебрались в спасательную лодку и чуть позже были вывезены Бе-4, вылетевшим с аэродрома Гора Валдай.
На 1 января 1945 г. в составе 115-го морского ближнеразведывательного авиационного полка ВВС ТОФ числилось четыре гидросамолета Бе-4 (№ 28808, 28809, 4770201 и 4770203). В боевых действиях против Японии они не участвовали, зато после их окончания подтвердили свое назначение как корабельных разведчиков полетами с катапульт тихоокеанских крейсеров «Калинин» и «Каганович».
Летом 1946 г. прошли опытные испытания Бе-4 в перегрузочном варианте стартами с катапульты ЗК-26 на крейсере «Каганович» и ЗК-2а («Калинин»). В испытаниях участвовал самолет серийный № 4770702, который пилотировал летчик-испытатель капитан В.Ф. Соколов. Самолет снабжался специальными узлами для катапультного старта — цапфами и задними крюками. Пилотская кабина оборудовалась приспособлениями для обеспечения правильного положения летчика и штурмана в кабине во время старта: подлокотниками, подпятниками и подголовниками.