Do marca 1944 roku wykonano na Ta 154 V1 181 lotów doświadczalnych. Początkowe bardzo entuzjastyczne oceny zostały przyćmione ujawnionymi wadami, tj.: przedostawaniem się spalin do kabiny pilotów, problemami z chłodnicami silników oraz instalacją hydrauliczną, w locie występowały wibracje kadłuba, bardzo czasochłonne były operacje wymiany silnika i opon, piloci krytykowali słabą widoczność na boki i do tyłu. W tym czasie prototyp posłużył do wypróbowania nowszej odmiany silników Jumo 211N (pierwotnie zastosowano Jumo 211F), wymieniono metalowe śmigła VS11 na drewniane VS9, testowano również różne warianty uzbrojenia. W trakcie tych zmian prototyp został oznaczony jako Ta 154 V1a. Kolejna próbna maszyna Ta 154 V2 (nr rej TE+FF, nr płatowca W.Nr 1540000002/100002) testowała radar Lichtenstein FuG 212, nowe kolektory spalin, służyła do naziemnych prób wytrzymałościowych i badań w tunelach aerodynamicznych. Ta 154 V3 (nr rej TE+FG, nr płatowca W.Nr 1540000003/100003) maszyna uzbrojona i wyposażona w radar, po oblataniu 25 listopada 1943 roku, została przekazana w grudniu tego samego roku do testów w Eprobungs-Stelle (ośrodek doświadczalny) Rechlin, w których wyszły na jaw jeszcze inne drobne mankamenty tej maszyny.