В итоге механизированная бригада стала представлять собой достаточно мощное соединение, имевшее в своем составе 178 танков Т-26, 32 танка БТ-2, 91 танкетку Т-27, 48 бронемашин, 46 орудий возимой артиллерии, 39 орудий 76-мм калибра, 7 зенитных орудий, 7 зенитных пулеметов и свыше 600 автомобилей разных типов.
Вслед за 1-й мехбригадой началось развертывание других механизированных частей и соединений. В 1932 году сформировали пять отдельных мехбригад: 2-я — в Украинском, 3-я, 4-я и 5-я — в Белорусском военных округах, а 6-я — в Особой Краснознаменной Дальневосточной армии. Кроме того, формировались два танковых полка, четыре механизированных дивизиона кавалерии, 15 танковых и 65 танкетных батальонов и рот для стрелковых дивизий. Значительную долю бронетанковой техники этих соединений и частей составляли танкетки Т-27.
С осени 1932 года началось организационное развертывание механизированных корпусов в Московском, Украинском и Ленинградском военных округах. В период с 1933 по 1935 год в частях Красной Армии насчитывалось максимальное количество танкеток Т-27. Начиная с 1934 года в войска стали в большом количестве поступать малые плавающие танки Т-37А, постепенно вытесняя танкетки Т-27.
Свое боевое крещение танкетки Т-27 получили в Средней Азии в боях с басмачами. Несмотря на то, что их основные группировки были разгромлены в 1926 году, вплоть до середины 1930-х годов там продолжались бои басмачей с частями ОГПУ(НКВД) и Красной Армии. Особенно сложная обстановка складывалась в Туркмении. Здесь дислоцировались 3-я Туркменская стрелковая, 1-я Туркестанская и Туркменская горнострелковые и 18-я Туркменская горнокавалерийская дивизии. В состав этих соединений входили танковые роты и бронеэскадрон, на вооружении которых состояли и танкетки Т-27. В середине 1930-х годов в Среднеазиатском военном округе был сформирован легкотанковый полк, оснащенный легкими танками Т-26 и танкетками Т-27.
Малая масса и габариты танкетки Т-27 оказались привлекательными и для использования ее в составе воздушных десантов. В 1932 году изготовили образец системы ПД-Т для сброса ее с парашютом. Поскольку масса танкетки значительно превышала предельно допустимую нагрузку бомбардировщика ТБ-1, ее облегчили на 344 кг, сняв все, что можно, и даже слив воду из системы охлаждения. Самолет тоже пришлось облегчить. В декабре 1932 года систему ПД-Т испытывали в НИИ ВВС. Она стала прообразом большого количества подобных устройств, предназначенных для десантирования легких танков, бронемашин и автомобилей.
Танкетка Т-27, переоборудованная в артиллерийский тягач
Танкетка-тягач Т-27 с 45-мм пушкой на буксире. 1939 г.
В 1933 году состоялась единственная экспортная поставка танкеток Т-27 — в Монголию. К этому времени в Монгольской народно-революционной армии был сформирован отдельный бронетанковый полк. На его вооружение и поступили поставленные из Советского Союза 10 танкеток Т-27 и 10 бронеавтомобилей БА-27. Правда, в конфликте у реки Халхин-Гол эти машины не участвовали. Не было их и в составе 57-го Особого корпуса (с 19 июня 1939 года — 1-я армейская группа).
Нашлось дело танкеткам Т-27 и в советско-финской войне. К ее началу большинство из них было передано в стрелковые соединения, где они использовались в качестве тягачей и транспортеров для подвоза боеприпасов. Однако техническое состояние этих машин, как правило, оставляло желать лучшего, а проходимость в условиях зимней Карелии была практически нулевой. Тем не менее, во многих частях Т-27 справлялись с поставленными перед ними задачами, а в 14-й армии, например, привлекались и к патрулированию дорог.
По состоянию на 1 июня 1941 года в Красной Армии имелось 2558 танкеток Т-27, из них 188 находились на складах и рембазах. Среднего ремонта требовали 584 машины, капитального — 840. Исправные танкетки применяли в качестве артиллерийских тягачей для 45-мм противотанковых пушек, а в основном — как учебные машины для подготовки механиков-водителей, в том числе и для танков так называемых «новых типов». Например, директивой Генерального штаба Красной Армии от 3 декабря 1940 года предписывалось «для обучения личного состава и сбережения материальной части боевых машин отпустить, исключительно как учебные, на каждый батальон тяжелых танков по 10 танкеток Т-27». Трудно понять, каким образом, осваивая вождение танкетки Т-27, можно было научиться вождению тяжелого КВ.
Все танкетки, находившиеся в приграничных военных округах (1087 единиц), были потеряны в первые же дни Великой Отечественной войны. Причем в основном так и не покинув расположения воинских частей. Их попросту бросили в парках как не имеющие никакой боевой ценности. Известно лишь несколько эпизодов о боевом применении танкеток Т-27 в годы войны. В 1941 — 1942 годах их использовали войска Карельского фронта, в частности, в уже упоминавшейся 14-й армии. На 1 мая 1942 года в составе танковой роты батальона охраны штаба этой армии имелось 23 танкетки Т-27. В октябре 1941 года в составе отдельного танкового отряда 1-го полка народного ополчения, участвовавшего в обороне Харькова, также имелось несколько танкеток Т-27. Во время битвы за Москву 1 декабря 1941 года несколько танкеток Т-27 поддерживали атаку одного из батальонов 71-й отдельной морской стрелковой бригады в районе Яхромы.