Первый «Муромец» был потерян в бою 5 июля 1915 года, когда машину поручика Башко последовательно атаковали три истребителя «Альбатрос». Самолет совершил вынужденную посадку, с него сняли моторы и отправили на склад. 2 ноября 1915 года «Муромец» штабс-капитана Озерского возвращался после бомбардировки станции Барановичи, во время которой подвергся сильному зенитному обстрелу. У самолета были перебиты тросы, ведущие к элеронам, и он врезался в землю у Прилук. Почти весь экипаж погиб.
19 марта 1916 года «Муромец» с 450 кг бомб был атакован двумя «фоккерами», получил более 40 попаданий, но смог отбиться. 2 члена экипажа были ранены, а 1 умер в госпитале от потери крови.
13 апреля 1916 года при бомбардировке станции Даудзевас был серьезно поврежден и списан «Муромец» поручика Констенчика, а сам пилот ранен. В апреле 1916 года 7 немецких аэропланов также разбомбили аэродром в Зегевольде, в результате чего получили повреждения 4 «Муромца».
12 (25) сентября 1916 года во время налёта на штаб в д. Антоново и станцию Боруны истребителями был сбит самолет поручика Д. Д. Макшеева. В этот день был запланирован вылет 3-го отряда «Муромцев» (4 самолета), 12 «Вуазенов» и двух отрядов истребителей «Моран-Парасоль». Но взаимодействия организовано не было. Один «Муромец» стартовать не смог из-за возгорания моторов, а другой вернулся, не перелетев позиций противника, в связи с «отсутствием опытного помощника у командира». Поэтому немцы смогли сбить «Муромец» поручика Макшеева, повернувшего обратно из-за неполадки с мотором, и «Вуазен». Лейтенант Вольф из немецкого полевого авиаотряда утверждал, что именно он сбил «Муромец». Сначала огонь был открыт с дистанции 150 м, был поврежден один из правых моторов. Ответный огонь «Муромца» также попал в цель, но истребитель, маневрируя, подошел до 50 м, наблюдатель лейтенант Лозе вел огонь по кабине. Вскоре «Муромец» начало заваливать, и он перешел в крутую спираль, затем в штопор. Вместе с ним погиб один «Моран».
Но самой распространённой причиной потерь были технические неполадки и различные несчастные случаи – из-за этого было потеряно около 20 машин. После Октябрьской революции боевое использование «Муромцев» прекратилось вплоть до окончания войны.
Высокая аварийность «Муромцев» была связана, в частности, с тем, что немецкие двигатели «Аргус», под которые проектировался «Муромец», с началом войны были недоступны, а французский «Сальмсон» и британский «Санбим» отличались большим лобовым сопротивлением и ненадежностью, запасные части отсутствовали, механики и мотористы были недостаточно подготовлены. Сами самолеты изнашивались, и росли потери по эксплуатационным причинам. Поэтому в январе – феврале 1916 года из всей эскадры из 10 самолетов боеспособным был лишь один, в октябре было совершено всего два вылета одним самолетом, а в ноябре и декабре последовал лишь один вылет, состоявшийся 22 ноября. В начале 1917 года из 30 «Муромцев» на фронте находилось лишь 4, из которых два за зиму вообще не совершали боевых полетов из-за устаревших или плохо работавших моторов. Не хватало и обученных экипажей.
Всего из 51 самолета, поступившего на фронт, воевало только 40 машин. Если в 1916 году самолеты совершили максимальное число вылетов – 156 и сбросили до 19 т бомб, то за 1917 год было лишь около 70 боевых вылетов, во время которых было сброшено 10,7 т бомб.
А как соотносились «Муромцы» с аналогичными иностранными бомбардировщиками периода Первой мировой войны? Немецкие «Ризены» или «Ризенфлюгцойги» (Riesenflugzeug, «Гигант») разрабатывались лишь с 1914 года и вступили в бой позднее «Муромцев» – 13 января 1916 года. Уже 24 августа экспериментальному образцу удалось сбросить почти 900 кг бомб. Затем самолет пошел в серию. Было построено 18 R. VI, из которых 16 применялись на фронте, поднимая до двух тонн бомб за вылет, нормальная же бомбовая нагрузка составляла 1300 кг. 29 июня 1917 года R. IV в четырехчасовом полете сбросил 1,5 т бомб. С конца сентября 1917 года «Гиганты» атаковали Англию. Только один R.39 в 20 боевых вылетах сбросил на Англию 26 т бомб, в том числе три 1000-килограммовые бомбы. Первая тонная бомба была сброшена на Челси ночью 16–17 февраля 1918 года. Еще ранее, 28–29 января, 300-килограммовая бомба убила 38 и ранила 85 человек. Немцы построили и три самолета серии R. XIV, при дальности полета в 1300 км поднимавшие тонну бомб. «Гиганты» бомбили Париж, Дюнкерк, Булонь, Кале и другие французские города. 1 R. VI и 1 R. XIV были сбиты истребителями, а 1 R. VI был сбит зенитным огнем. Еще 1 R. VI разбился после боя по невыясненной причине. 13 «Гигантов» разбились по небоевым причинам в результате аварий.