Первые серийные танки БТ-2 начали поступать в войска в 1932 г. Они предназначались для вооружения самостоятельных механизированных соединений, единственным представителем которых в то время в РККА была 1-я механизированная бригада имени К.Б.Калиновского Московского военного округа. В эту бригаду и был включён «батальон танков-истребителей» на БТ-2. С осени 1932 г. в Московском, Украинском и Ленинградском военных округах началось формирование более крупных соединений — механизированных корпусов (5-й, 7-й и 45-й), состоящих из двух механизированных бригад, одна из которых вооружалась танками БТ, а другая — Т-26. С февраля 1935 г. мехкорпуса перешли на новую однотипную организацию, при которой обе бригады имели на вооружении только танки БТ-2 и БТ-5.
Помимо механизированных бригад танки БТ поступали на вооружение механизированных полков кавалерийских дивизий. Эксплуатация в войсках этих танков была сложной и выявила большое количество недостатков БТ-2 и БТ-5 — двигатели были капризны и ненадежны, траки гусениц изготавливались из низкокачественной стали и часто разрушались.
В войсках катастрофически не хватало запасных деталей (из-за чего по приказу начальника УММ РККА 50% танков с целью сбережения моторных ресурсов предписывалось держать в неприкосновенном запасе), а уровень технической подготовки личного состава был крайне низок. Тем не менее, танкисты любили «бэтэшки» за превосходные динамические качества, дающие возможность даже совершать прыжки на 15-20 м через различные препятствия, что активно демонстрировалось на манёврах высокому начальству и иностранным военным атташе. К концу 1936 г. во всех мехкорпусах и мехбригадах БТ-2 и БТ-5 заменили на конструктивно более совершенные БТ-7, а БТ-2 стали использоваться как учебные машины в воинских частях и военно-учебных заведениях.
Впервые БТ-2 приняли участие в боевых операциях в ходе Польского похода Красной армии («Освободительный поход» в Западную Белоруссию и Западную Украину) в сентябре 1939 г., однако использовались они ограниченно, поскольку танковые бригады, как отдельные, так и корпусного подчинения, уже были укомплектованы современными БТ-7.
Но БТ старых типов имелись на вооружении в танковых полках кавалерийских дивизий: 44-й танковый полк 3-й кавалерийской дивизии насчитывал 34 танка БТ-2, 32-й танковый полк 5-й кавалерийской дивизии — 35 танков БТ-2 и БТ-5, и 42-й танковый полк 4-го кавалерийского корпуса — 41 танк БТ-2. Два первых полка боевых потерь не имели, а 42-й полк потерял в ходе боёв 3 танка.
Зато в Советско-финской войне (30 ноября 1939 г. — 13 марта 1940 г.) принимало участие много устаревших танков (в том числе и БТ-2), так как к боевым действиям привлекали танковые части тыловых военных округов, укомплектованные машинами из учебно-боевого парка. Например, на 30 ноября 1939 г. 82 БТ-2 и 83 БТ-5 числилось в составе 1-й легкотанковой бригады.
Бригада была полностью укомплектована хорошо обученным личным составом, однако большинство танков были сильно изношены вследствие протяженных маршей к границам Эстонии, Латвии и Финляндии. В первые дни боёв, действуя в составе 10-го танкового корпуса, бригада овладела несколькими финскими населенными пунктами. Затем в течении января 1940 г. занималась боевой подготовкой и ремонтом матчасти, получив для восполнения потерь 16 БТ-2, 22 БТ-5 и 112 БТ-7.
В начале февраля 1-ю легкотанковую бригаду придали 10-му стрелковому корпусу, и с 9 по 15 февраля 1940 г. танки её двух танковых рот поддерживали атаки пехоты против огневых точек финнов на высотах в районе Мелола. С 27 февраля, приданная 34-му стрелковому корпусу, бригада вела боевые действия по уничтожению отходящего противника в районе Выборга.
За все время тяжёлых боев в Финляндии, осложнявшихся отсутствием эвакуационных средств, от артиллерийского огня был потерян 61 танк БТ (8 БТ-2, 18 БТ-5 и 35 БТ-7), 60 подорвалось на минах и фугасах (8 БТ-2, 19 БТ-5 и 33 БТ-7), 29 сгорело (4 БТ-2, 2 БТ-5 и 23 БТ-7), 13 утонуло (2 БТ-2, 3 БТ-5 и 8 БТ-7), а 150 танков вышло из строя по техническим причинам (68 БТ-2, 74 БТ-5 и 8 БТ-7). При этом 100 машин удалось восстановить собственными силами бригады, а остальные пришлось эвакуировать в тыл для заводского ремонта.
В июне 1940 г. все БТ-2 было решено оставить «как учебный парк до полного износа». На 1 июня 1941 г. на вооружении РККА числилось 580 линейных танков БТ-2, из которых 366 были на ходу и использовались в войсках в качестве учебных машин, 119 требовали среднего, а 30 — капитального ремонта; оставшиеся танки применялись лишь как учебные стенды. В западных военных округах из этого количества имелось 396 танков БТ-2. С началом боевых действий все эти учебные машины, как пушечные, так и пулемётные, были поставлены в строй и активно участвовали в приграничных сражениях в составе танковых и моторизованных дивизий механизированных корпусов на всех фронтах.
Например, в 5-м мехкорпусе было 10 БТ-2, в 6-м мехкорпусе — 30, в 7-м мехкорпусе — 27, в 8-м мехкорпусе — 14, в 9-м мехкорпусе — 21, а в 24-й танковой дивизии 10-го мехкорпуса — аж 139 БТ-2. Большая часть этих устаревших и сильно изношенных танков была быстро потеряна в боях, так, в 24-й танковой дивизии на 24 июля 1941 г. уже не было ни одного исправного БТ-2. Помимо всего прочего, в частях ощущалась острая нехватка 37-мм снарядов, поскольку их производство было давно прекращено. Но и БТ-2 наносили урон врагу — так, 20-я танковая дивизия 9-го мехкорпуса, имевшая на вооружении 33 учебных и сильно подержанных танка БТ-2 и БТ-5, 24 июня 1941 г. атаковала части немецкой 13-й моторизованной дивизии у местечка Клевань на Украине.
Несмотря на то, что со слабо бронированными и легковооруженными танками нельзя было вступать в открытый бой, 20-я танковая дивизия смогла остановить продвижение немцев, хотя и ценой потери всех своих БТ…Находившиеся в тыловых военных округах БТ-2 учебных подразделений и военных училищ были также спешно приведены в боевое состояние и брошены в бой в составе сформированных танковых частей, они тоже в большинстве своём были быстро потеряны летом-осенью 1941 г.
Некоторое количество БТ-2 применялось в битве за Москву, например, в 18-й танковой бригаде Западного фронта, внезапно атаковавшей и разгромившей колонну немецких танков и мотопехоты из 40-го моторизованного корпуса на подступах к Гжатску 9 октября 1941 г., наряду с 29 танками Т-34 было 5 БТ-2, 24 БТ-5 и 3 БТ-7. Но уже 11 октября 18-я танковая бригада попала в окружение и, ведя бои с превосходящими силами противника, вышла из него только на следующие сутки, потеряв все танки БТ-2 и БТ-5.
На московском направлении воевала и 21-я танковая бригада, прибывшая из Владимира для пополнения Западного фронта и имевшая в своем составе 29 Т-34, 10 Т-60, 5 БТ-2, 15 БТ-5 и БТ-7 — 16 октября 1941 г. бригада перешла в наступление на Калинин, уничтожив за 4 дня боёв, по докладам экипажей, 34 вражеских танка и потеряв 21 Т-34, 1 Т-60 и 7 БТ. На 26 февраля 1942 г. по 7 БТ-2 ещё имелось в 150-й танковой бригаде Западного фронта и в 10-й танковой бригаде Юго-Западного фронта.
Отдельные машины этого типа встречались в танковых частях даже в 1942-1943 гг. Дольше всего БТ-2 сохранялись на стабильных участках Ленинградского фронта, где летом 1943 г. их ещё насчитывалось 12 единиц. В составе 49-го гвардейского танкового полка прорыва 42-й армии и некоторых других частей Ленинградского фронта БТ-5 и даже последние БТ-2 принимали участие в снятии блокады Ленинграда, а затем и в разгроме финских войск на Карельском перешейке в 1944 г.
