Бронеавтомобили БА-3 и БА-6 поступали на вооружение разведывательных подразделений танковых, кавалерийских и стрелковых соединений Красной Армии. В 1937 году в Забайкальском военном округе был сформирован мотоброневой полк, вскоре развернутый в бригаду. В нее входили батальон средних бронеавтомобилей, разведывательный батальон, укомплектованный средними и легкими бронеавтомобилями, и стрелково-пулеметный батальон. Всего в бригаде имелось 80 средних и 30 легких бронеавтомобилей. Три таких бригады — 7-я, 8-я и 9-я принимали участие в боях с японскими войсками у реки Халхин-Гол.
Практически одновременно с поступлением новых броневиков на вооружение Красной Армии началась и их поставка за рубеж. По данным, приведенным в ряде зарубежных изданий, в 1935–1936 годах 60 средних пушечных бронеавтомобилей БА-6 приобрела Турция.
С декабря 1936 года и до свертывания советской военной помощи в 1938 году в Испанию были поставлены 7 бронеавтомобилей БА-И и 80 БА-6. Одним из первых соединений республиканской армии, получившим эти боевые машины, стала 1-я бронетанковая бригада под командованием Д. Г. Павлова, которой в январе 1937 года пришлось вести тяжелые бои под Мадридом. В ходе этих сражений пушечным огнем бронемашин БА-6 удалось подбить несколько танков противника. В декабре 1937 года до 30 БА-6 с испанскими экипажами участвовали в наступлении на Теруэльский выступ — последней крупной и успешной операции республиканцев. После окончания гражданской войны некоторое количество БА-6 состояло на вооружении испанской армии до начала 50-х годов прошлого века.
БА-6 находились также на вооружении Монгольской народно-революционной армии. Укомплектованные ими бронедивизионы 6-й и 8-й монгольских кавалерийских дивизий весной-летом 1939 года принимали участие в вооруженном конфликте у реки Халхин-Гол.
Всего в период с 1935 по 1939 год было экспортировано свыше 150 бронеавтомобилей БА-И, БА-3 и БА-6. Большинство из оставшихся в СССР машин несло службу в частях Красной Армии на Дальнем Востоке. Некоторое количество броневиков БА-3 и БА-6 состояло на вооружении советских частей, участвовавших в польском походе и зимней войне с Финляндией. На фронтах Великой Отечественной войны БА-3 и БА-6 использовались приблизительно до конца 1942 года.
Значительно дольше эксплуатировались эти машины в финской армии, которой они достались в качестве трофеев в 1939 и 1941 годах. На 1 июня 1944 года у финнов имелся один БА-3 (нес службу вплоть до конца 1954 года) и 10 БА-6 (эксплуатировались до конца 1956 года)
