Первые БА-64 начали поступать в войска в мае 1942 года и уже летом того же года они приняли участие в боевых действиях на Брянском и Воронежском фронтах[42]. Основными недостатками БА-64 в бою являлись его недостаточная огневая мощь, а также затруднительность эвакуации из подбитой и загоревшейся машины, что могло стоить жизни экипажу. Вместе с тем, подвижный, маневренный и обладавший сравнительно высокой проходимостью бронеавтомобиль хорошо проявил себя в разведывательных рейдах, десантных операциях и даже при сопровождении и огневой поддержке пехоты[43]. Особенно эффективными БА-64 оказались при штурме городов, благодаря большому углу возвышения оружия, позволявшему вести огонь по верхним этажам зданий в уличных боях, что для большинства других образцов бронетехники было недоступно. В этой роли они широко использовались в наступательных операциях завершающего периода войны, вплоть до взятия Берлина[41].
Благодаря тем же достоинствам БА-64 также использовался для отражения атак вражеской авиации на марше. Хотя вероятность сбить вражеский самолёт огнём из ДТ была очень невелика, но его защитное действие не подлежало сомнению — враг лишался свободы манёвра на малых высотах, где атака с воздуха наземных целей путём обстрела из бортовых пушек и пулемётов наиболее смертоносна. Поэтому зенитный огонь из БА-64 по вражеским самолётам способствовал значительному уменьшению потерь среди охраняемых им войск.
К концу Великой Отечественной войны в войсках оставалось 3314 бронеавтомобилей всех типов, в подавляющем большинстве — БА-64 обеих модификаций[41]. После окончания войны уцелевшие БА-64 были вскоре списаны, служба БА-64Б в Советской Армии также оказалась сравнительно недолгой. В основном они использовались как учебно-боевые, по меньшей мере до 1953 года. Порой БА-64 использовались также для оперативной связи или, после установки мощной радиостанции, в роли передвижных командных пунктов. В роли учебных машин, использовавшихся для подготовки экипажей колёсных бронетранспортёров БТР-40 и БТР-152, БА-64 применялись ещё до середины 1950-х годов[39].
