16 сентября 1939 г. приказом наркома ВМФ на Северном флоте был сформирован 118-й морской ближнеразведывательный авиационный полк трех-эскадрильного состава, в который передавались 18 МБР-2 с экипажами из 15-го авиационного полка Балтийского флота. Поскольку все явственней вырисовывалась перспектива войны с Финляндией, то гидросамолеты не перевозились разобранными по железной дороге, как обычно, а перегонялись. МБР-2 вылетели из Ленинграда на Север 23 сентября тремя группами, несмотря на сложные метеоусловия на маршруте. Перегон закончили 4 октября, но при этом в авариях разбили две машины.
После заключения осенью 1939 г. «Пактов о взаимопомощи» с Эстонией и Латвией, СССР, наконец, удалось получить многочисленные морские и воздушные базы, расположенные практически по всей акватории Балтийского моря. Вместе с кораблями и подразделениями береговой обороны на новые базы стали перебрасываться авиационные части. Первой из состава ВВС КБФ в Прибалтику перебазировалась 10-я авиабригада, только что сформированная 25 октября 1939 г. В ее состав входили 12-я (с 3 декабря
1939 г. — 15-я), 43-я и 44-я морские ближнеразведывательные авиационные эскадрильи (мбраэ), каждая из которых имела по 12 гидросамолетов МБР-2. 15-ю и 44-ю мбраэ планировалось разместить на эстонских гидроаэродромах в Кихельконне (о. Эзель) и Палдиски, 43-ю мбраэ — в латвийской Лиепае.
В 0 ч 15 мин 30 ноября 1939 г. всеми средствами связи Балтийского флота был передан условный сигнал «Факел», означавший начало боевых действий против Финляндии. Начавшаяся война стала первым серьезным испытанием для гидросамолетов МБР-2 и их экипажей.
К ноябрю 1939 г. в ВВС КБФ МБР-2 находились на вооружении 10-й авиационной бригады, базировавшейся на морские аэродромы Прибалтики, а также 18-й, 41-й, 58-й омбраэ 12-го и 44-го отдельных авиационных отрядов, базировавшихся на гидроаэродромах в восточной части Финского залива и побережья Ладожского озера. Всего к началу боевых действий в частях насчитывалось 124 гидросамолета (из них 114 боеготовых). В задачи морской авиации входило уничтожение, во взаимодействии с другими силами флота, кораблей противника, блокада побережья Финляндии и обеспечение собственных морских коммуникаций.
С первых же дней войны и до конца конфликта МБР-2 вели воздушную разведку устья Финского залива и северной части Балтийского моря. Поскольку залив, естественно, замерз, то летали с сухопутных аэродромов, поставив гидросамолеты на лыжное шасси. Кроме того, летающие лодки активно привлекались для борьбы с финским судоходством и ударов по различным береговым объектам финнов, как днем, так и ночью.
В то же время война ясно показала, что МБР-2 уже не может быть основным флотским самолетом-разведчиком. Когда в январе-декабре потребовалось получить точные сведения о финских береговых батареях, защищавших приморские фланги «Линии Маннергейма», хорошо прикрытых зенитной артиллерией, выяснилось, что МБР-2 этого сделать не могут (прежде всего из-за малой скорости). Поэтому пришлось срочно устанавливать фотоаппараты на бомбардировщики СБ и наскоро обучать их экипажи основам тактики ведения воздушной разведки.
Еще одной задачей, возложенной на летающие лодки, стало спасение экипажей сбитых самолетов, с чем они справлялись вполне успешно. 2 февраля 1940 г. МБР-2 из 18-й омбраэ вывез в Ораниенбаум раненых летчика и стрелка-радиста бомбардировщика СБ, совершившего вынужденную посадку на лед после атаки финских истребителей между островами Соммерс и Нерва. Пилотировавший «амбарчик» капитан А.А. Губрий 21 апреля 1940 г. был удостоен звания Героя Советского Союза.
На Ладоге действовала 41-я морская ближнеразведывательная эскадрилья, располагавшая 8 МБР-2 (позже их число увеличилось до 13), и находившаяся в подчинении Ладожской военной флотилии. Перед самолетами эскадрильи была поставлена задача ведения разведки финских кораблей на озере (до параллели острова Валаам) и, кроме того, подавления батарей противника на острове Коневец. Позже задачи, поставленные перед эскадрильей, изменились. Поддерживая наступление частей 8-й армии, самолеты 41-й омбраэ приступили к нанесению бомбовых ударов по финским объектам на островах Мантсинсаари, Ристисаари, Валаам и Ковенец.