Количество В-25, направлявшихся в АДД, постоянно возрастало. Если в 1942 г. она получила всего 16 самолетов этого типа, то в 1943 г. — 129, в 1944 г. — 210, а к 1 мая 1945 г. в 18-ю воздушную армию, в которую преобразовали АДД, поступило еще 128 машин.
Всего в СССР по программе ленд-лиза было отправлено 870 В-25, из которых до места дошел 861. Некоторое количество машин интернировали после вынужденных посадок на Дальнем Востоке. В 1943–1944 гг. «Митчеллы» поступили на вооружение еще нескольких полков дальней авиации — 337-го, 362-го, 747-го и других. Ими были полностью укомплектованы 4-я, 5-я и 15-я гвардейские дивизии. С августа 1943 г. В-25 стал получать 2-й гвардейский полк полковника И.Ф. Балашова. Ими вооружили 1-ю эскадрилью, которой командовал дважды Герой Советского Союза А.И. Молодчий. К февралю 1944 г. в полку насчитывалось уже 20 В-25, в основном новейшей модификации J. В целом в начале 1944 г. В-25 составляли около 10 % авиапарка АДД. К концу того же года все корпуса АДД, кроме 2-го гвардейского, имели В-25, а в 4-м гвардейском корпусе он являлся основным типом. К 1 января 1945 г. 18-я воздушная армия имела 320 «Митчеллов», которые составляли примерно пятую часть всей ее техники.
В составе АДД американские бомбардировщики применялись, как правило, в темное время суток, нанося удары по железнодорожным узлам, аэродромам, узлам сопротивления немцев. В ночь на 30 декабря 1942 г. один из полков 222-й дивизии отбомбился по эшелонам в Витебске. Пожар продолжался более трех суток. Было уничтожено 24 паровоза и до 500 вагонов. Аналогичные налеты проводились на железнодорожные узлы Орши, Брянска, Великих Лук, Бреста и другие. В июне 1943 г. В-25 разбомбили немецкий аэродром в Сеиде. Когда наши войска освободили этот район, все поле было завалено обломками самолетов. В сентябре «Митчеллы» участвовали в подавлении вражеских дальнобойных батарей под Ленинградом. Всю вторую половину войны они совершали дальние рейды на Варшаву, Бреслау, Кенигсберг, Тильзит, Берлин, действовали под Брянском, Рославлем, Смоленском, Гомелем, Севастополем. В 1944 г. 222-я дивизия разрушила железнодорожный узел Дебрецен в Венгрии.
Более скоростные и маневренные, лучше вооруженные, чем Ил-4, В-25 часто использовались для обеспечения удара основной массы бомбардировщиков: поиска и обозначения целей, для подсветки, подавления наземных средств ПВО и блокировки аэродромов ночных истребителей. Так, например, действовал в 1944 г. в Венгрии 251-й гвардейский полк, обеспечивавший функционирование остальных полков 15-й гвардейской дивизии. При организации массированных налетов обычно выделялись пары, звенья, отдельные экипажи для блокирования близлежащих аэродромов. По несколько часов они кружились над летным полем, время от времени сбрасывая одиночные бомбы или их небольшие серии. Кроме того, B-25J с усиленным передним стрелковым вооружением с пологого пикирования обстреливали стоянки самолетов и ангары. Во 2-м гвардейском полку B-25J с дополнительными пулеметами использовали для ночных штурмовых ударов по аэродромам противника.
Как и другие самолеты АДД, «Митчеллы» временами применялись в качестве транспортных машин. Он имел емкий фюзеляж, в который при перебазировании можно было загрузить до 20 человек — техников и оружейников. В-25 мог доставить до 1 т груза на расстояние 2240 км.
Впервые в крупных масштабах эти бомбардировщики были привлечены для переброски грузов в феврале 1944 г. С Украины они перевозили оружие, медикаменты, продовольствие для Народно-освободительной армии Югославии. В бомбоотсеках устанавливали дополнительные бензобаки, а груз размещали в кабине. Каждый самолет брал до 12 парашютных мешков ПДММ весом по 100 кг, которые сбрасывались через люки. Позже часть груза размещалась в бомбоотсеке. Сперва полеты в Югославию осуществляла специальная группа 15-й гвардейской дивизии под командованием майора А.П. Дудника. Первый вылет состоялся 19 февраля; из шести экипажей только один дотянул обратно до своего аэродрома, остальные сели на запасных, ближе к фронту. В феврале группа совершила 39 самолето-вылетов, перебросив 15 т грузов. С 3 мая на перевозки переключилась практически вся дивизия — 44 экипажа. Эти полеты продолжались до освобождения Югославии. В одном из них летчик А. Каракозов над побережьем Черного моря атаковал и сбил немецкий бомбардировщик, а затем повредил второй.
Летом 1944 г. «Митчеллы» участвовали в «воздушном мосте» в Словакию. Для бойцов Словацкого национального восстания доставлялись противотанковые ружья, пулеметы, автоматы, винтовки, взрывчатка и боеприпасы. Ли-2 и С-47 садились на аэродроме Три Дуба, а В-25 4-й гвардейской дивизии (бывшей 222-й) сбрасывали грузы на парашютах. Летали они из Калиновки под Винницей.