Комплекс применялся с 1971 г. в Лаосе и с 1972 г. в Южном Вьетнаме. По некоторым данным, в 1972 г. пусками 589 переносных ЗУР удалось сбить 204 самолета и вертолета противника. По другой информации, при практически том же числе запущенных ракет было уничтожено 51 и повреждено девять летательных аппаратов.

Ракеты "Стрела-2" и ее модернизированные варианты применялись также в ходе ирано-иракской войны, в Анголе, где ими было сбито до семи южноафриканских летательных аппаратов, при вторжении США в Гренаду в 1983 г. и в ряде других конфликтов. Самым удаленным от родных рубежей было использование этих ракет аргентинцами против англичан во время войны за Фолклендские острова в 1982 г., не завершившееся поражением английских летательных аппаратов.

В целом, несмотря на ряд впечатляющих успехов, боевое применение комплекса показало, что его эффективность недостаточна. Многие поврежденные самолеты благополучно совершали посадки на свои аэродромы и возвращались в строй после ремонта. Это происходило потому, что ракеты попадали в хвостовую часть самолета, в которой находилось мало жизненно важных систем и агрегатов, а мощность боевой части ЗУР была недостаточна для создания большой зоны разрушений конструкции цели.

В соответствии с Постановлением от 2 сентября 1968 г. №668-255 была проведена модернизация комплекса "Стрела-2". Совместные испытания усовершенствованного ПЗРК, получившего название "Стрела-2М" (9К32М), проводились с октября 1969 г. по февраль 1970 г. на Донгузском полигоне (начальник полигона М.И. Финогенов) под руководством комиссии, возглавляемой Н.М. Орловым. Комплекс "Стрела-2М" был принят на вооружение в 1970 г.

Практически без изменений массогабаритных характеристиках средств комплекса (масса ракеты — 9,6 кг, длина — 1438 мм) были значительно улучшены его боевые и эксплуатационные возможности:
-  автоматизированы процессы захвата цели головкой самонаведения и пуска ракеты по скоростным воздушным целям при стрельбе на догонных курсах, что облегчило боевую работу стрелка-зенитчика, особенно при стрельбе с подвижных объектов;
-  осуществлена селекция подвижной цели на фоне неподвижных естественных помех;
-  обеспечено исключение ошибки стрелка в определении ближней границы зоны пуска;
-  стало возможным поражение целей, летящих со скоростью до 260 м/с, на догонных курсах;
-  увеличена по высоте и по дальности зона поражения на догонных курсах реактивных самолетов;
-  обеспечена стрельба на встречных курсах по вертолетам и самолетам с поршневыми двигателями, летящими со скоростью до 150 м/с, в том случае, если ГСН удавалось захватить достаточно нагретую, в силу тех или иных причин, цель.

Ракета 9М32М эксплуатировалась в пусковой трубе 9П54М. Вновь разработанный пусковой механизм 9П58 имел увеличенное число контактов стыковки с пусковой трубой и, соответственно, не обеспечивал применение ЗУР 9М32.

Помехоустойчивость тепловой ГСН комплекса "Стрела-2М" при работе на облачном фоне улучшилась. Обеспечивалась стрельба при нахождении цели на фоне сплошной (слоистой), легкой (перистой) и кучевой облачности менее трех баллов. Однако при кучевой подсвеченной солнцем облачности более трех баллов, особенно в весенне-летний период, зона действия комплекса значительно ограничивалась. Минимальный угол на солнце, при котором было возможно отслеживание воздушных целей головкой самонаведения, составлял 22-43 град. Линия горизонта в солнечный день ограничивала зону действия комплекса углами места, превышающими 2 град. В остальных условиях горизонт влияния на стрельбу не оказывал. Комплекс не был защищен от отстреливаемых самолетами и вертолетами тепловых ловушек.

Результатом дальнейшего развития переносных ЗРК типа "Стрела-2" и "Стрела-2М" стал комплекс "Стрела-3", который имел улучшенные по сравнению с ними боевые и технические характеристики. Он обеспечивал борьбу с самолетами и вертолетами, летящими на встречных курсах со скоростями до 310 м/с и маневрирующими с перегрузками до 3 единиц, а на догонных курсах — со скоростями до 260 м/с и маневрирующими с перегрузками до 5-6 единиц.

К числу новых технических решений и более высоких боевых и эксплуатационных характеристик комплекса относились:
-  принципиально новая тепловая головка самонаведения с глубоким охлаждением, обеспечивающим чувствительность на два порядка выше чувствительности ГСН комплекса "Стрела-2М", что позволило проводить стрельбу на встречных курсах по самолетам и вертолетам, а также значительно расширить зону поражения при стрельбе на догонных курсах по высоте и параметру;
-  обеспечение работоспособности комплекса при стрельбе на догонных курсах в любых фоновых ситуациях;
-  разработка пускового механизма, который позволял автоматически провести пуск ракеты по цели, находящейся в зоне пуска, при стрельбе на встречных курсах.

Комплекс "Стрела-3" был максимально унифицирован с комплексом "Стрела-2М", что упрощало его внедрение в серийное производство и освоение в войсках.

Разработка переносного ЗРК "Стрела-3" (9К34) с ЗУР 9М36 была задана по тому же Постановлению, по которому были развернуты работы по ЗРК "Стрела-2М". Создание глубокоохлаждаемой головки самонаведения 9Э45 было поручено новому соисполнителю — КБ киевского завода "Арсенал" МОП (главный конструктор головки В.Н. Сахаров).

Болгарская версия ПЗРК "Стрела-2М"	Вариант ПЗРК "Стрела-2М" (Strzala-2M), производившийся в Польше	"Стрела-2М", выпускавшаяся в Румынии ПЗРК СА94М

Совместные испытания этого комплекса в составе ЗУР 9М36 в пусковой трубе 9П59 и пускового механизма 9П58М проходили на Донгузском полигоне с ноября 1972 г. по май 1973 г. (начальник полигона O.K. Дмитриев) под руководством комиссии во главе с Д.А. Смирновым. При испытаниях были выявлены и устранены недостатки, связанные с недостаточной надежностью элементной базы бортовой аппаратуры ЗУР. В 1973 г. комплекс был внедрен в серийное производство. Постановлением от 18 января 1974 г. этот ПЗРК был принят на вооружение. Ряд его создателей удостоился Государственной премии.