В 1936 г. в Испании в результате мятежа генерала Франко против республиканского правительства вспыхнула гражданская война. Франко поддержали Германия и Италия, республиканское правительство Испании — Советский Союз. Республиканская авиация была немногочисленной и не могла достойно противостоять авиации мятежников, поддержанной немецким легионом «Кондор», который насчитывал до 400 самолетов.

23 октября 1936 г. советский пароход «Старый Большевик» прибыл в испанский порт Картахена, на его борту было военное снаряжение для республиканской армии, первые летчики и самолеты, в том числе бомбардировщики СБ-2 М-100. Интересно, что эти самолеты были вооружены не современными пулеметами ШКАС, которые оставались секретом, а устаревшими пулеметами Дегтярева. Вместе с самолетами в Испанию были отправлены летчики-добровольцы, наземный технический персонал, вооружение, патроны, бомбы и т. д.

Первая партия из 31 самолета СБ была отправлена в Лос Альказарес (Los Alcazares) для сборки. Первые четыре собранные самолета были отправлены на фронт в район Томеллосо (Tomelloso, откуда они 28 октября совершили первый боевой вылет. Целью бомбардировщиков был аэродром Таблада (Tablada) под Севильей (Seville). Группу самолетов возглавил майор Эрнст Шахт. Дебют СБ в испанском небе был неприятной неожиданностью для франкистов, чья авиация прежде успешно удерживала господство в воздухе. Особенно удачными были атаки советских СБ 30 октября и 1 ноября 1936 г., когда была атакована в районе Гамонал (Gamonal) база итальянской авиагруппы Aviation del Tercio. Результатом последней атаки было уничтожение 6 истребителей Фиат CR 32 на земле, лишь одному удалось удрать. 2 ноября был потерян первый СБ. Его экипаж вел разведку и был замечен парой истребителей Фиат CR 32, которые атаковали и сбили СБ в районе Талавера (Talavera). Остатки сбитого самолета были собраны для идентификации и отправлены в Севилью.

У испанцев СБ получил народное прозвище «Катюшка», образованное от имени героини популярной оперетты. Официально же самолет обозначался «BK», что переводилось как «Бомбардировщик Катюшка» («bombardjero Katyushka») Противник дал новому самолету прозвище Martin Bomber.

К началу ноября 1936 г. все самолеты из 1-ой партии были собраны и была организована «Группа 12» (Gruppo 12), в составе трех эскадрилий под общим командованием советского полковника Жатоцветова.

Вторым местом боевого применения СБ стал Китай, где шла освободительная война против японских агрессоров. В начале японской агрессии малочисленная китайская авиация понесла большие потери. Японские ВВС безраздельно господствовали в воздухе, подвергая варварским бомбардировкам города Китая. 21 августа 1937 г. Советский Союз заключил договор с правительством Чан-Кай-Ши (Chiang Kai-Shek) о поставках крупных партий вооружения.

Осенью 1937 г. Советский Союз отправил в Китай 225 самолетов, в том числе 62 бомбардировщика СБ и 89 авиационных специалистов для обучения китайских летчиков. Советские летчики на СБ-2М-100А перелетели из Иркутска на аэродром Вухань (Wuhan) в провинции Хупей (Hupei) в несколько этапов через Dalan Dzagada и Ulan Bator. В ноябре 1937 г. первая группа советских летчиков-добровольцев прибыла в Китай на своих самолетах. Когда бомбардировщики СБ прибыли в Китай на них в качестве опознавательных знаков были нанесены 12-лучевые звезды гоминдановского режима и они были включены в состав китайских ВВС.

Китайский СБ-2М-100А. Верхняя сторона самолета кистью выкрашена в зеленый цвет. Видны белые и синие полосы на руле направления, что отличало самолеты Гоминьдана.

С 29 июля по 11 августа 1938 г. 250 советских самолетов (180 бомбардировщиков и 70 истребителей) участвовало в боевых действиях против японских агрессоров в районе озера Хасан на Дальнем Востоке. Основную мощь ударной группы бомбардировщиков составили самолеты СБ (120 бомбардировщиков). Советские летчики наносили бомбовые и штурмовые удары по противнику в полосе обороны и по его резервам в тылу. Особенно сильный удар был нанесен 6 августа — в день штурма сопки Заозерной. Перед началом штурма была проведена авиационная подготовка, когда в течении полутора часов советская авиация непрерывно бомбила японские войска. Мощные удары бомбардировщиков оказали деморализующее воздействие на противника, понесшего большие потери в живой силе и технике. В боях у озера Хасан впервые в советской авиации была применена практика использования крупных соединений бомбардировщиков (по 27–36 самолетов одновременно). Массированные удары авиации оказали существенную поддержку наземным войскам и способствовали быстрому разгрому японских агрессоров.

В начале 1939 г. японские войска, после захвата Китая, нарушили границу с Монголией. Это был явный вызов советским войскам дислоцированным здесь. Монгольская народная республика была верным вассалом СССР, войска которого фактически охраняли её границу. По-этому вторжение японских войск в Монголию было воспринято советским руководством как агрессия против СССР.

Урок, преподанный японским агрессорам у озера Хасан, не пошел им впрок. В мае 1939 г. началось вторжение японских войск на территорию Монгольской народной республики в районе реки Халхин-Гол. Верный союзническому долгу, СССР оказал Монголии военную помощь.

На первом этапе конфликта в период майских и июньских боев ситуация в воздухе над Халхин-Голом складывалась не в пользу советских летчиков. Первой армейской группе была придана авиационная группировка в составе трех полков: 22-го и 70-го истребительных и 150-го полка скоростных (на его вооружении было 29 самолетов СБ). Им противостояли превосходящие силы противника — отборные авиационные соединения, получившие большой опыт боев в Китае.

При оккупации Западной Белоруссии, Западной Украины и стран Прибалтики (Литвы, Латвии и Эстонии) войсками Красной армии боевых действий фактически не было. Вместе с наземными войсками в этих «освободительных» походах участвовали и авиационные части, в том числе бомбардировочные полки, вооруженные СБ. Впоследствии они вошли в состав общевойсковых гарнизонов, размещенных на «освобожденных» территориях.