美国海军的 PBY 巡逻中队几乎完全在训练中渡过了战前短暂的和平岁月，巡逻中队的传统任务是高低空轰炸、射击、鱼雷攻击、沿海岸巡逻等。机组人员定期从所属中队的水上飞机基地起飞进行上述训练。另外每年还要进行一次“前进基地”演习，这通常是作为舰队战术演习的一部分来实施。在演习中会有一艘水上飞机供应舰向机组人员和飞机提供保障。供应舰负责在海湾或河口选择（或被指定）一处海域，用系泊浮筒为水上飞机标出起降水道，同时还负责用交通艇接送机组人员、维护飞机和进行水上机场的警戒等。供应舰设有维修车间和备件仓库，能提供演习行动所需的各种支援，包括飞机大修。
1939 年末实施的中立法案及随后的海岸中立巡逻行动实质上已经使巡逻中队进入作战状态，这为即将到来战争积累了宝贵经验。
日本对珍珠港的突袭所造成的飞机与人员损失对夏威夷的巡逻中队来说是个灾难。第 1 巡逻机联队的 27 架飞机被毁，6 架受损，仅 3 架正在巡逻的 PBY 得以幸免。在珍珠港福特岛整个 VP-22 中队在遭受炸弹袭击并摧毁滑行斜坡后失去了战斗力。珍珠港事件的前几周，菲律宾的局势变得越来越紧张，美日巡逻机在沿岸巡逻中都避免接触。为了保存战力，第 10 巡逻机联队受命疏散到偏远基地。尽管美军已经预先做了准备，但在 12 月 8 日，日机对菲律宾的美军航空兵力发动压倒性打击，在完全丧失了制空权的情况下第 10 巡逻中队的许多 PBY 在战斗的头几天内就被摧毁在系泊地。12 月 11 日就有 7 架巡逻归来的飞机被日机低空扫射摧毁在锚地。
在 PBY-4 与敌机的空战暴露了 PBY 的易损性。由于缺少保护人员的装甲和自封油箱，在遭受敌机攻击后存活机会渺茫。在不多的 PBY 编队遭受攻击的记录中，显示了 PBY 飞行员战术上的权限，他们并没有尝试保持编队的完整性以使用自卫火力互相支援。
实战中还发现 PBY 赖以对抗尾部攻击的腰部机枪站火力不足。虽然所配置的勃朗宁机枪是相当可靠的武器，但腰部机枪站缺乏保护机枪手的装甲且无法持续供弹。PBY-4 上的 12.7 毫米机枪都使用标准 50 发弹箱，以勃朗宁机枪每分钟 600~800 发的射速来说，机枪手可以在一次 10 秒持续射击中就消耗掉一个弹箱！然后他先要卸下空弹箱，再从架子上取出新弹箱装上，才能上膛继续射击。尾随的日机飞行员能清楚地看到机枪手在换弹箱的动作，于是乘 PBY 无力反抗之机抵近射击。
1941 年 12 月 27 日凌晨，VP-101 中队的 6 架 PBY-4 从荷属东印度群岛安汶岛（Ambon）起飞攻击菲律宾霍洛港（Jolo）的日军舰艇。每架飞机挂载 3 枚 227 千克炸弹，计划进行 3 机双编队水平轰炸。途中 6 机分为两个编队飞行，到达目标区后，领机编队进行圆周飞行等待第二编队，但第二编队错过了领机，继续飞行看到目标后就开始进入轰炸，立即招致日军防空火力的还击。第二编队轰炸了港内的日本巡洋舰和大型运输舰，在退出轰炸时，一架 PBY 被击落，其余两架安全返回安汶岛基地，他们没想到的是这为领机编队带来了灭顶之灾。
领机编队在 10 分钟的绕圈等待后，看到天空开始发白，就开始攻击。这 3 架 PBY 在 3,600 米高度转向目标，但此时被激怒的军舰和岸上防空炮火发现了领机编队并对其猛烈射击，同时 6 架战斗机（可能是零式）出现在空中。枪弹从各处射向 PBY 编队，由于规避战斗机使 PBY 无法保持编队，各机独自发起攻击。混战中两架零式被击中退出战斗，其余继续拦截卡特林娜并击落了领机，两架僚机见无法继续实施水平轰炸，于是向目标舰进行俯冲投弹。炸弹在约 3,000 米高度释放，在投弹后飞机仍继续俯冲以期摆脱零式。一架 PBY 在 300 米高度被击中起火，三名乘员跳伞，其余 4 人被困，但在飞行员的努力下迫降成功，另一架 PBY 在两名机枪手死亡，一名乘员重伤，飞机部分失控的情况下进行迫降但在触及水面时爆炸，幸存者在经历了两个星期的逃亡后回到了部队。
第 10 巡逻机联队在战斗开始时有 43 架 PBY-4，但是到 12 月 13 日仅剩 11 架可飞，联队向南转移到西里伯斯岛（Celebes）万鸦老基地（Manado），后又撤到苏腊巴亚（Surabaja）。12 月 23 日，幸存的人员和飞机并入 VP-101 中队，同时撤销了 VP-102 中队编制。随着日军向东印度群岛的步步逼近，PBY 继续向南撤退，在 2 月底最终抵达澳大利亚时仅剩 4 架。 PBY 曾被临时用于鱼雷攻击任务。事实上所有列装的 PBY 都能挂载标准航空鱼雷，但这需要在翼下的炸弹挂架上安装转换器，以挂载鱼雷及所有必要的发射装置（功能包括解除战雷头保险、起动发动机，手动或电动释放鱼雷）。驾驶舱仪表板上方，安装了一具海军研发的鱼雷指挥瞄准器，向飞行员提供瞄准信息及鱼雷释放点。
二战中 PBY 实施了大量鱼雷攻击，多数是在战争初期的夜间多机实施攻击。PBY 取得了一些战果，并且自身损失很小。在有了更好的鱼雷机后，1943 年之后海军就很少用卡特林娜进行鱼雷攻击了。 卡特林娜的搜救任务代号“邓波”（Dumbo），来自迪士尼卡通角色小飞象邓波，这最初是一个无线电呼号。所罗门群岛战役一开始，PBY 飞象经常被编入打击机群中，在目标区附近盘旋待机。
1943 年初所罗门图拉吉岛（Tulagi）进驻一支飞象分队，该分队通常仅编有 3 架 PBY，但在 1 月 1 日到 8 月 15 日期间却营救了 161 名空勤人员，成为飞象营救行动的典范。后来在东印度群岛和菲律宾的营救行动由于有了更好的飞机和战术，所以更加成功。除此之外，计划和协调良好的空中突击行动保证了良好的营救时机。
在战争的最后几个月中，太平洋战区的 PBY 中队交替执行飞象和黑猫任务。如此打算是为了保证各中队间执行高风险攻击任务和相对安全的救援任务的公平性。1944 年 10 月 1 日所有的 VP 和 VB 中队都改为 VPB 中队，保留原先的编号。在战争的最后几个月在一线海域作战的中队有：VPB-29、VPB-33、VPB-34、VPB-44、VPB-5 和 VPB-71。对于被卡特林娜从救生艇或荒岛的海滩上营救的空勤人员来说，那天勿庸置疑是他们一生中最值得纪念的日子。飞象的努力得到了感谢——不仅来自那些被营救的人，还来自于那些相信自己被击落后一定会被营救的人。一名陆军飞行员说道：“每当我看见一架 PBY，我就会立即站起来向它敬礼！”这恐怕是空勤人员对朴实的 PBY 的最高评价！
