Ponad 60 samolotów, wycofanych z lotnictwa wojskowego, używane było od 1940 przez linie Aerofłot jako samoloty pocztowe, pod oznaczeniem PS-5 (ros.: ПС-5); po modyfikacji posiadały one 3 miejsca pasażerskie.
Służba Samoloty R-10 zaczęły wchodzić na uzbrojenie radzieckiego lotnictwa wojskowego od 1937, jedynie częściowo zastępując starsze dwupłaty R-5.
Pierwsze użycie bojowe samolotów R-10 nastąpiło podczas ataku na Polskę we wrześniu 1939 roku, w której uczestniczyło siedem eskadr R-10. Każda z nich dysponowała również samolotami innych typów takich jak R-5, R-Z czy U-2, choć o użyciu bojowym tego ostatniego typu brak informacji w źródłach. Cztery eskadry (34, 36, 44 i 52) wchodziły w skład lotnictwa armijnego Frontu Ukraińskiego, a dwie inne (30 i 43) - Białoruskiego. W działaniach bojowych wzięła również 46 Samodzielna Eskadra Lotnicza (OAE) będąca jedyną jednostką lotnictwa marynarki wojennej, która brała udział w ataku na Polskę. Przed kampanią wrześniową okazało się, że wiele stosunkowo nowych R-10 wymaga napraw. Większość usterek dotyczyła pęknięć poszycia w miejscach połączenia kadłuba ze statecznikiem pionowym oraz niesprawności hamulców podwozia. Pomimo tych problemów naprawy zdołano wykonać w szybkim tempie w warsztatach polowych z udziałem brygad remontowych z Fabryki nr 135.