Комплексы "Стрела-2" применялись в основном батальонными зенитными ракетными взводами, состоящими из трех отделений стрелков-зенитчиков (по числу рот в батальоне) . Отделение стрелков-зенитчиков состояло из 3 человек, каждый из которых имел пусковое устройство и две ЗУР в пусковых трубах (в возимом боекомплекте отделения). Один из стрелков-зенитчиков являлся командиром отделения.

Управление боевой работой осуществлялось командиром отделения. С помощью имеющейся у него малогабаритной переносной радиостанции он получал боевые распоряжения и данные целеуказания от начальника ПВО полка, производил целераспределение между стрелками отделения и с помощью той же радиостанции выдавал целеуказания по ориентирным направлениям стрелкам, имеющим малогабаритные радиоприемники. При отсутствии управления от начальника ПВО полка командир отделения самостоятельно нацеливал стрелков-зенитчиков.

Результаты боевого применения переносного ЗРК "Стрела-2" в Египте, куда были направлены первые серийные образцы комплекса и группа военных технических специалистов во главе с Г.В. Киселевым, были весьма эффективны: в августе 1969 г. за один день боевых действий десятью ракетами комплекса было сбито 6 самолетов Израиля, в то время как всеми другими средствами ПВО Египта за этот же день было уничтожено лишь 4 самолета.

В боях с 6 по 23 октября 1973 г. арабские стрелки-зенитчики по их данным сбили 23 израильских самолета. В боях с 8 апреля по 30 мая 1973 г. - восемь. Средняя эффективность комплексов составила 0,15-0,2. Нанесенный противнику военно-экономический ущерб от применения переносного ЗРК "Стрела-2" намного превышал стоимость израсходованных ракет.

Комплекс применялся и во Вьетнаме.

Однако боевое применение комплекса показало, что его эффективность недостаточна. Многие поврежденные самолеты возвращались на свои базы и вновь вводились в строй после ремонта, продолжавшегося всего несколько часов. 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 Правительства от 2 сентября 1968 г. была проведена модернизация комплекса "Стрела-2" теми же разработчиками.

Совместные испытания модернизированного переносного ЗРК, 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 при тех же массо-габаритных характеристиках средств комплекса (масса ракеты -9,6 кг, длина - 1438 мм) были значительно улучшены его боевые и эксплуатационные возможности:
-   автоматизированы процессы захвата цели ГСН 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;
-  обеспечена стрельба на встречных курсах по вертолетам и самолетам с поршневыми двигателями, летящим со скоростью до 150 м/с;
-  увеличена зона поражения на догонных курсах реактивных самолетов (по высоте и по дальности).

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°. Линия горизонта в солнечный день также ограничивала зону действия комплекса углом места, большим 2°. В остальных условиях горизонт влияния на стрельбу не оказывал. Комплекс не был защищен от ложных тепловых помех (отстреливаемых самолетами и вертолетами тепловых ловушек).

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

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 по высоте и параметру при стрельбе на догонных курсах;
-  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 постановку его на 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 было поручено новому соисполнителю - КБ киевского завода "Арсенал" МОП (главный конструктор головки И.К. Полосин).

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 О.К. 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. Постановлением от 18 января 1974 г. комплекс был принят на вооружение. Государственной премии за его создание были удостоены Л.Г. Деев, Е.А. Олейников, А.С. Яблонский, М.Н. Диктов, И.К. Полосин, В.В. Головатенко, Ю.И. Федоровский, Г.В. Изюров, A.M. Чепраков и другие.