Впервые С-75 «Двина» использовался в 1959 г. в Китае, куда по просьбе китайского правительства были переданы пять огневых и один технический комплекс. Китайцы сбили самолет-разведчик тайваньских вооруженных сил RB-57D американского производства. Обстрел производился тремя ракетами и все они прошли с подрывом.
Поражение самолета было настолько сильным, что он развалился на части еще в полете и его обломки разлетелись в радиусе 5-6 км. Летчик был убит осколком. Однако о том, что самолет был сбит зенитно-ракетным комплексом, не было объявлено, чтобы скрыть наличие в Китае новейших (по тем временам) зенитно-ракетных систем. Официально было заявлено, что чанкайшистский самолет-разведчик был сбит военно-воздушными силами Народной освободительной армии Китая.
Затем ЗРК С-75 использовался 1 мая 1960 г., когда под Свердловском был сбит высотный американский самолет- разведчик U-2 «Локхид», пилотируемый пилотом ЦРУ Пауэрсом. Самолет был сбит в 8 ч 53 мин (время московское) одной единственной ракетой, пуск которой произвел 2-й дивизион 57-й зенитно-ракетной бригады. Дивизионом командовал майор Михаил Романович Воронов. Пилот U-2 не погиб и сумел выбраться из самолета и после затяжного прыжка приземлиться спустя 25 мин. Он остался жив только потому, что ракета была пущена, когда цель уже пролетела зону пуска и выходила из нее. Ракете пришлось догонять цель и ее боевой заряд разорвался у хвоста самолета (в 15 м правее и ниже).
Уже по падающим обломкам самолета после второго дивизиона стрелял еще один дивизион - капитана Шелудь- ко. Одна из ракет нашла цель. Ею оказалось крыло. Оторвавшись от самолета, оно падало самостоятельно. Две другие ракеты пролетели между обломками U-2 и поэтому не взорвались, а самоликвидировались на большой высоте. К сожалению, в тот же день был сбит еще один самолет - МиГ-19, пилотируемый старшим лейтенантом Сергеем Ивановичем Сафроновым. Летчик успел катапультироваться, но он был смертельно ранен и приземлился уже мертвым. Причиной этой трагедии стал ряд наложившихся друг на друга ошибок: расчета пункта управления истребителей, действий расчета командного пункта ПВО, технической неисправности запрос- чика дивизиона, проводившего обстрел цели.
Результатом этого применения С-75 было то, что США прекратили свои разведывательные полеты над территорией СССР и лишились тем самым важного источника стратегической развединформации.
В следующий раз С-75 применялся в сентябре 1962 года, когда китайские зенитно-ракетные части НОАК сбили U-2 «Локхид». Китайские вооруженные силы использовали комплексы С-75 и HOjl собственного производства, являющиеся копией советской системы. Эти системы применялись в 60-е годы для борьбы с разведывательными самолетами U-2 «Локхид» и беспилотными разведчиками тайваньских вооруженных сил и одержали победу примерно 8 раз.
27 октября 1962 г. над Кубой был сбит U-2 «Локхид» ВВС США. В середине 1965 года комплекс С-75 был передан силам противовоздушной обороны Северного Вьетнама, и в июле того же года был сбит первый F-4 С «Фантом» ВВС США. Только с начала использования комплекса во Вьетнаме США смогли получить первые сырые данные о системе наведения ракеты, вырабатываемых командах наведения ракеты, характеристиках радиовзрывателя и боевой части ракеты. Эти данные позволили начать разработку систем радиоэлектронного подавления ЗРК С-75. Специально для целей разведки 13 февраля 1966 г. над территорией Северного Вьетнама был запущен беспилотный разведывательный самолет «Ryan 147E», который на протяжении всего своего полета передавал разведданные на пункт управления, пока не был сбит.
22 июля 1966 г. был запущен еще один беспилотный разведывательный летательный аппарат «Ryan 147F», который был оборудован специально защищенной аппаратурой разведки характеристик комплекса. Прежде чем он был сбит, было израсходовано 11 ракет. На протяжении своего разведывательного полета самолет передавал разведданные на пункт управления.
В целом использование зенитно-ракетного комплекса С-75 во Вьетнаме можно считать достаточно эффективным. Например, с 18 по 30 декабря 1972 г. американским командованием была проведена тщательно спланированная операция «Лайнбеккер-2», в которой использовалась вся стратегическая авиация, принимавшая участие на территории боевых действий (более 700 самолетов, из них 83 В-52 и 36 F-111). Также была привлечена часть сил 7-го флота.