Государственные испытания Ил-38 проходили под руководством ведущих инженера Е.Б. Полякова, О.А. Воронько и С.К. Аполлонова (летчики-испытатели С.М. Сухин, А.Ф. Степанов, Е.М. Никитин, М.В. Власенко) и завершились в 1968 году.
Успешный же ход летных испытаний позволил сократить программу государственных испытаний, а ее главный объем пришелся на систему «Беркут».
Сначала планировалось серийное производство Ил-38 на Омском заводе № 166 (ныне производственное объединение «Полет») с последующей кооперацией с заводом № 30. Но переход предприятия в Омске на выпуск ракет заставил начать изготовление противолодочных самолетов в Москве, на тех же площадях, где ранее строились Ил-18. Первый серийный Ил-38 с двигателями АИ-20М взлетел в сентябре 1967 года, и его сдали заказчику 23 декабря, а 17 января 1969 года самолет приняли на вооружение. Постройка Ил-38 завершилась в феврале 1972 года выпуском 58 машин, пять из которых продали в Индию.
Использование более мощных двигателей по сравнению с прототипом позволило увеличить максимальный взлетный вес серийных машин на 2500 кг и, соответственно, вес «коммерческой» нагрузки до 8000 кг, дальность и продолжительность (до 16 часов) полета. Ил-38 приняли на вооружение в январе 1969 года, его тактический радиус действия, при продолжительности патрулирования в заданном районе 3–3,5 часа, составлял 2200 км. Пришлось менять колеса в связи с перераспределением на них нагрузок. Размер колес основных опор уменьшился до 900х285 мм, диаметр передних возрос до 800 мм при ширине 225 мм.
Хотя доводка системы «Беркут» продолжилась на первом серийном Ил-38, в конце 1968 года командующий авиацией ВМФ И.И. Борзов решил начать эксплуатацию Ил-38 на флоте. Однако, как часто бывает, к освоению этой машины приступили в марте 1968 года еще до принятия Ил-38 на вооружение. Первыми осваивали самолет экипажи 24-го отдельного противолодочного авиаполка дальнего действия (оплапдд) авиации Северного флота, дислоцирующегося в Североморске, под командованием подполковника В.П. Потапова, впоследствии командующего авиацией ВМФ. Переучивание личного состава полка на новую машину проходило в 33-м учебном центре (г. Николаев). В 1969 году полк в полном составе был подготовлен к боевым действиям, а со следующего года один из отрядов полка, базируясь за рубежом, начал патрулирование акваторий Средиземного моря.
Пока самолет испытывали и организовывали серийное производство, в его арсенале появились корректируемые авиабомбы КАБ-500ПЛ «Загон». Последняя имела акустическую систему наведения и небольшие рули на ее носовой части. Приняли на вооружение и новейшую ракету-торпеду «Орлан». Аэромагнитометр АП-60 заменили АП-73. Тогда же круглый обтекатель РЛС системы «Беркут» заменили каплевидным.
В 1970 году Ил-38 освоили экипажи 289-го полка в Николаевке (Владивосток), впоследствии переименованного в 77-й оплап (командир – полковник И.И. Ивкин) Тихоокеанского флота, на долю которого выпало патрулирование акваторий Тихого и Индийского океанов. Весной того же года Ил-38 24-го оплапдд впервые участвовали к тому же в самых крупномасштабных учениях, проведенных в Советском Союзе, «Океан».