В феврале — марте 1944 года в войска начали поступать танки Т-34-85. В частности, примерно в это время их получили соединения 2-го, 6-го, 10-го и 11-го гвардейских танковых корпусов. К сожалению, эффект от первого боевого применения новых танков был невысоким, так как бригады получали всего по нескольку машин. Большинство в них составляли "тридцатьчетверки" с 76-мм пушками. К тому же совсем мало времени отводилось в боевых частях на переподготовку экипажей. Вот что по этому поводу писал в своих воспоминаниях М.Е. Катуков, в апрельские дни 1944-го командовавший 1-й танковой армией, которая вела тяжелые бои на Украине: "Пережили мы в те трудные дни и радостные минуты. Одна из таких — приход танкового пополнения. Получила армия, правда, в небольшом количестве, новые "тридцатьчетверки", вооруженные не обычной 76-мм, а 85-мм пушкой. Экипажам, получившим новые "тридцатьчетверки", пришлось дать всего два часа на их освоение. Больше дать мы тогда не могли. Обстановка на сверхшироком фронте была такая, что новые танки, обладавшие более мощным вооружением, надо было как можно скорее ввести в бой".
Одним из первых Т-34-85 с пушкой Д-5Т получил 38-й отдельный танковый полк.
Эта часть имела смешанный состав: помимо Т-34-85 в ней находились и огнеметные танки ОТ-34. Все боевые машины полка были построены на средства Русской православной церкви и несли на своих бортах название "Димитрий Донской". В марте 1944 года полк вошел в состав 53-й общевойсковой армии и принял участие в освобождении Украины.
В заметном количестве Т-34-85 использовались в ходе наступления в Белоруссии, начавшегося в конце июня 1944 года. Они составляли уже более половины из 811 "тридцатьчетверок", принимавших участие в этой операции. В массовом же порядке Т-34-85 применялись в боевых действиях в 1945 году: в Висло-Одерской, Померанской, Берлинской операциях, в сражении у озера Балатон в Венгрии. В частности, накануне Берлинской операции укомплектованность танковых бригад боевыми машинами этого типа была почти стопроцентной.
Следует отметить, что в ходе перевооружения танковых бригад в них произошли некоторые организационные изменения. Поскольку экипажи Т-34-85 состояли из пяти человек, то для их доукомплектования был использован личный состав роты противотанковых ружей батальона автоматчиков бригады.
До середины 1945 года на вооружении советских танковых частей, дислоцировавшихся на Дальнем Востоке, состояли в основном устаревшие легкие танки БТ и Т-26. К началу войны с Японией в войска поступило 670 танков Т-34-85, что позволило укомплектовать ими первые батальоны во всех отдельных танковых бригадах и первые полки в танковых дивизиях. 6-я гвардейская танковая армия, переброшенная в Монголию из Европы, оставила свои боевые машины в прежнем районе дислокации (Чехословакия) и уже на месте получила 408 танков Т-34-85 с заводов № 183 и № 174. Таким образом, машины этого типа приняли самое непосредственное участие в разгроме Квантунской армии, являясь ударной силой танковых частей и соединений.
Помимо Красной Армии танки Т-34-85 поступили на вооружение армий нескольких стран-участниц антигитлеровской коалиции.