В предварительных исследованиях машины участвовали летчики-испытатели НИИ ВВС Л. И. Бровцев и П. И. Шишов под руководством инженера А. М. Загордана. Государственные испытания, проведенные летчиками В. И. Кравченко и А. Г. Солодовниковым, проходили спокойно, без срывов и аварий. Лишь в одном полете вынуждены были сбросить на взлете пушку, закрепленную на внешней подвеске, которая в процессе выдерживания машины задела стволом землю – слишком тяжелая была.
15 января 1959 года главный конструктор филиала ОКБ-115 И. А. Эрлих сообщал заместителю председателя Совета Министров СССР Д. Ф. Устинову:
Несмотря на пожелания военных, Як-24У так и остался в единственном экземпляре.
В декабре 1959 года завершились испытания Як-24 № 27206303, оснащенного опытной системой автоматической стабилизации, включающей автомат парирования АП-120М, автопилот АП-31 и механизм автотриммирования. АП-120М ранее проверили в НИИ ВВС на Як-24У. К концу 1959 года все серийные Як-24 оснастили автоматами АП-120М.
С 1956 по 1958 год завод № 272 выпустил 35 машин. В те годы Министерство обороны СССР желало иметь на вооружении вертолеты Ми-4, Як-24 и Ми-6 грузоподъемностью от полутора до восьми тонн. В 1960–1965 годы военным требовалось 250–300 машин Як-24У, но отечественные заводы были перегружены, и до их производства дело не дошло. В правительстве рассматривался вопрос о выпуске Як-24 в Чехословакии на заводе «Авиа», но принятие на вооружение Ми-6 с газотурбинными двигателями окончательно решило судьбу «летающего вагона».
Среди замыслов конструкторов был и противолодочный вариант Як-24. Большая грузоподъемность машины позволяла иметь на борту не только поисковое оборудование, способное обнаруживать субмарины в надводном и подводном положениях, но и противолодочное оружие, в частности самонаводящиеся торпеды ПЛАТ-1 и авиабомбы ПЛАБ-250–120 общим весом до 2000 кг.
Як-24 пытались приспособить для траления морских мин, но из-за перегруженности ОКБ-115 эту работу с предприятия сняли.
Другая машина В-38, проектировавшаяся по аналогичной схеме, предназначалась для перевозки грузов весом 35–40 тонн. Но все усилия ОКБ были тщетны. Внедрение в серийное производство вертолета Ми-6 окончательно решило участь Як-24, эксплуатацию которого прекратили в начале 1960-х годов.
Особое место в истории «летающего вагона» занимают его пассажирские варианты. Первый из них – салонный Як-24К, предназначался для перевозки до восьми особо важных персон и создавался в соответствии с указанием ЦК КПСС и постановлением Ленинградского Совнархоза от 7 декабря 1959 года.
Отличительными особенностями машины стали восемь больших квадратных окон в салоне (по четыре с каждого борта) и встроенный трап-дверь. Перкалевую обшивку вертолета заменили металлической из дюралевого листа. В пассажирском салоне со звукоизоляцией, располагавшемся между вестибюлями, установили восемь вращающихся кресел и столики. Кроме этого, на борту имелись гардероб, туалет и буфет. Для замены двигателей без доступа в салон пришлось доработать фюзеляж вертолета.
На разработку Як-24К потребовался лишь один месяц. Первую машину, переделанную из серийного вертолета (заводской № 27208303), подготовили к испытаниям в октябре 1959 года. Летчик-испытатель Артамонов провел заводские испытания машины в феврале – марте 1960 года на Комендантском аэродроме Ленинграда, но ее перелет в Москву состоялся лишь в следующем году. В феврале 1960 года в вариант Як-24К переделали второй вертолет (серийный № 27208304), но обе машины так и не оправдали возлагавшихся на них надежд. Взлетный вес вертолета – 14 160 кг, пустого – 11 800 кг, топлива – 1200 кг, полезная нагрузка – 2300 кг.
В 1960 году на летные испытания вышел 30-местный пассажирский Як-24А, созданный на базе Як-24К. Но и он остался невостребованным.
В 1961 году появился проект В-24П (Як-24П) с газотурбинными двигателями АИ-24, рассчитанный на перевозку до 30 человек на расстояние до 300 км. При этом его максимальная скорость оценивалась в 200 км/ч, а статический потолок – 3000 метров.
Проект был одобрен в ГКАТ и правительстве. Для ускорения создания машины П. В. Дементьев 16 февраля обратился с письмом к главкому ВВС К. А. Вершинину: