С начала июля летающие лодки 15-й мрап наносили удары по частям 4-й немецкой танковой группы в боях на реке Луга. МБР-2 бомбили танки у озера Долгое, колонны немецкой мотопехоты в районах Поречье и Осьмино. После прорыва немецкого 41-го моторизованного корпуса МБР-2 поддерживали наши части у озера Самро. Ночи становились длиннее, цели находились на небольшом удалении от аэродромов базирования, и экипажи успевали сделать 2–3 вылета за ночь. Всего в июле-августе 1941 г. экипажами 15-го мрап совершено более 300 вылетов на поддержку наших сухопутных войск под Ленинградом. С начала августа к обороне главной базы КБФ — Таллина — стали привлекаться МБР-2 44-й эскадрильи. Летчики провоевали под Таллином до 26 августа, когда немцы вплотную подошли к городу и самолетам эскадрильи пришлось перелететь в Ленинград.
Для обороны островов Моонзундского архипелага была сформирована специальная авиагруппа ВВС флота, оперативно подчиненная коменданту береговой обороны Балтийского района. В состав группы входили МБР-2 из 15-й эскадрильи, базировавшиеся на аэродроме Кихелькона (о. Эзель), а затем и летающие лодки 81-й эскадрильи, переброшенной с Ханко. МБР-2 Моонзундзской авиагруппы, помимо применения в качестве бомбардировщика, морского разведчика, противолодочного самолета, использовались как импровизированные минные тральщики. Стремясь нарушить наши коммуникации, немцы практически ежедневно ставили с воздуха неконтактные мины в Моонзундском проливе. Из-за отсутствия электромагнитных тральщиков их роль пришлось взять на себя «амбарчикам». По данным береговых постов, летающие лодки бомбили места падения мин, стремясь вызывать либо их детонацию, либо выход из строя от гидравлического удара аппаратного блока взрывателя.
27 августа крупные надводные корабли КБФ покинули Рижский залив, 28 августа был оставлен Таллин. А затем повторилась ситуация Либавы и Риги. С началом высадки немцев на остров Муху 14 сентября МБР-2 поддерживали защитников острова. Но силы гарнизона Моонзунда и немецкой группировки были неравными. 18 сентября аэродром Кихелькона оказался под обстрелом, и оставшиеся в строю самолеты перелетели в Ленинград.
В качестве противолодочных самолетов МБР-2 на Балтике сопровождали конвои на коммуникациях Ханко — Таллин, Моонзунд — Таллин, Таллин — Ленинград, обеспечивали развертывание подводных лодок на позиции в Балтийском море и вели свободный поиск подводных лодок.
Противолодочный поиск самолеты осуществляли в 50–70 милях от наших баз и, кроме того, на выходе из финских шхер. В качестве средств поражения субмарин применялись в основном обычные фугаски ФАБ-50 и ФАБ-100 либо специальные противолодочные бомбы ПЛАБ-100. Эффективность применения МБР-2 как самолета ПЛО снижалась отсутствием каких-либо технических средств обнаружения лодок. Тем не менее МБР-2 обнаруживали лодки 22 раза. Из них три — в надводном положении, остальные — на перископной глубине. 6 июля подводная лодка М-102 в охранении двух торпедных катеров южнее острова Осмусаар была атакована подводной лодкой противника. Уклонившись от торпед, командир М-102 вызвал авиацию. Звено МБР-2 пробомбило место вероятного нахождения вражеской субмарины, а затем начало охранять маленький конвой. 3 августа пара МБР-2 безуспешно атаковала подводную лодку на Восточном плесе.
Из всех атак МБР-2 подводных лодок противника на Балтике успешной можно признать только одну. 9 июля пара МБР-2 из 81-й омраэ, западнее о. Бенгтшер (13 миль юго-западнее Ханко), обнаружила вражескую субмарину. Атака с высоты 300 м оказалась для подводников совершенно внезапной. Самолеты сбросили по четыре бомбы ФАБ-50, и, хотя прямых попаданий не было, несколько бомб разорвались вблизи борта лодки. Субмарина находилась на поверхности еще полторы минуты, но бомб для повторной атаки на самолетах уже не было. Барражируя в течение получаса над местом погружения, экипажи летающих лодок наблюдали постепенно увеличивавшееся в размерах масляное пятно. Вероятно, была повреждена немецкая подводная лодка U-149. Несмотря на очень скромные успехи в роли противолодочных самолетов, само присутствие МБР-2 стесняло действия подводных лодок противника. Даже в тех случаях, когда самолет не обнаруживал лодку, а на лодке обнаруживали патрулирующие самолеты, она отказывалась от атаки.