Противотанковые самолеты Ил-2 с пушками НС-37 появились на фронте лишь в августе месяце: в 568-м шал 231-й шад и 801-м шал 232-й шад 2-го шак, который действовал в составе 1-й воздушной армии Западного фронта. В следующем месяце боевое применение нового штурмовика началось в частях 1-го шак, а в октябре— ноябре Ил-2 с «большой пушкой» появился в 7-м шак, 1-й гвардейской и 227-й шад. В общей сложности в войсковых испытаниях были учтены результаты боевых вылетов 96 самолетов Ил-2 с НС-37 24-й, 25-й и 26-й серий производства авиазавода №30.
Уже 16 октября на имя командующего ВВС маршала А.А. Новикова из действующей армии ушло донесение командира 1-го шак генерал-лейтенанта В.Г. Рязанова «О результатах эффективности применения самолета Ил-2 с 37-мм авиационной пушкой ОКБ-16 11П в боевых условиях по сравнению с самолетом Ил-2 с пушками ВЯ и ШВАК». Еще через пару недель специалисты 4-го отдела НИИ ВВС подготовили довольно обширный «Доклад по результатам изучения опыта боевого применения Ил-2 с 37-мм пушками ОКБ-16 во 2-м Смоленском ШАК». Затем последовал и доклад штаба 2-го штурмового авиакорпуса.
Строевые летчики отмечали, что новый вариант Ил-2 по сравнению с самолетом, вооруженным пушками ШВАК или ВЯ-23, обладает несколько большей инертностью, ухудшенной маневренностью и управляемостью, особенно на больших скоростях. Заметно увеличился радиус виража. Крены на вираже допускались до 60° на скорости 280—300 км/ч.
При стрельбе из двух пушек после очереди из 4—6 снарядов Ил-2 терял в скорости полета до 30—50 км/ч. Точных выстрелов получалось всего два—три, после чего наводка сбивалась. При стрельбе из одной пушки наводка сбивалась сразу же после первого выстрела. Удержать самолет на линии визирования было невозможно. При открытии огня с дистанции 700—800 м за один заход летчикам удавалось сделать две очереди — всего не более 10 снарядов, из которых прицельными были 3—4.
Самолет допускал пикирование вплоть до 50°. Ввод в пикирование и вывод из него были простыми и затруднений у летного состава не вызывали. Однако при углах пикирования более 35° при стрельбе из пушек самолет стремился увеличить угол пикирования. Поэтому в цель попадали только первые 2—3 снаряда, а остальные шли с недолетом. На пикировании самолет довольно быстро набирал скорость, и при достижении 330 км/ч и выше летчики отмечали чрезмерно большую нагрузку на рули управления. Просадка на выводе из пикирования увеличилась. Самолет следовало выводить из пикирования на 50 м раньше обычного.
На планировании летчикам приходилось выдерживать более высокую скорость — порядка 190—210 км/ч при отклоненных щитках. После выравнивания самолет летел над землей несколько дольше, чем обычно. На посадке «на выдерживании более чувствителен к взмыванию».
