За годы войны в войска поступило 60 машин. Эскадра совершила 400 боевых вылетов, сбросила 65 тонн бомб и уничтожила 12 вражеских истребителей. Только за 1915 год корабли выполнили до ста вылетов, сбросив около 20 т. бомб.
Первый «Муромец» был потерян в бою 5 июля 1915 года, когда машину поручика Башко последовательно атаковали три истребителя «Альбатрос». Самолет совершил вынужденную посадку, с него сняли моторы и отправили на склад. 2 ноября 1915 года «Муромец» штабс-капитана Озерского возвращался после бомбардировки станции Барановичи, во время которой подвергся сильному зенитному обстрелу. У самолета были перебиты тросы, ведущие к элеронам, и он врезался в землю у Прилук. Почти весь экипаж погиб.
19 марта 1916 года «Муромец» с 450 кг бомб был атакован двумя «фоккерами», получил более 40 попаданий, но смог отбиться. 2 члена экипажа были ранены, а 1 умер в госпитале от потери крови.
13 апреля 1916 года при бомбардировке станции Даудзевас был серьезно поврежден и списан «Муромец» поручика Констенчика, а сам пилот ранен. В апреле 1916 года 7 немецких аэропланов также разбомбили аэродром в Зегевольде, в результате чего получили повреждения 4 «Муромца».
12 (25) сентября 1916 года во время налёта на штаб в д. Антоново и станцию Боруны истребителями был сбит самолет поручика Д. Д. Макшеева. В этот день был запланирован вылет 3-го отряда «Муромцев» (4 самолета), 12 «Вуазенов» и двух отрядов истребителей «Моран-Парасоль». Но взаимодействия организовано не было. Один «Муромец» стартовать не смог из-за возгорания моторов, а другой вернулся, не перелетев позиций противника, в связи с «отсутствием опытного помощника у командира». Поэтому немцы смогли сбить «Муромец» поручика Макшеева, повернувшего обратно из-за неполадки с мотором, и «Вуазен». Лейтенант Вольф из немецкого полевого авиаотряда утверждал, что именно он сбил «Муромец». Сначала огонь был открыт с дистанции 150 м., был поврежден один из правых моторов. Ответный огонь «Муромца» также попал в цель, но истребитель, маневрируя, подошел до 50 м., наблюдатель лейтенант Лозе вел огонь по кабине. Вскоре «Муромец» начало заваливать, и он перешел в крутую спираль, затем в штопор. Вместе с ним погиб один «Моран».
Но самой распространённой причиной потерь были технические неполадки и различные несчастные случаи — из-за этого было потеряно около 20 машин. После Октябрьской революции боевое использование «Муромцев» прекратилось вплоть до окончания войны.
Высокая аварийность «Муромцев» была связана, в частности, с тем, что немецкие двигатели «Аргус», под которые проектировался «Муромец», с началом войны были недоступны, а французский «Сальмсон» и британский «Санбим» отличались большим лобовым сопротивлением и ненадежностью, запасные части отсутствовали, механики и мотористы были недостаточно подготовлены. Сами самолеты изнашивались, и росли потери по эксплуатационным причинам. Поэтому в январе — феврале 1916 года из всей эскадры из 10 самолетов боеспособным был лишь один, в октябре было совершено всего два вылета одним самолетом, а в ноябре и декабре последовал лишь один вылет, состоявшийся 22 ноября. В начале 1917 года из 30 «Муромцев» на фронте находилось лишь 4, из которых два за зиму вообще не совершали боевых полетов из-за устаревших или плохо работавших моторов. Не хватало и обученных экипажей.
Всего из 51 самолета, поступившего на фронт, воевало только 40 машин. Если в 1916 году самолеты совершили максимальное число вылетов — 156 и сбросили до 19 т. бомб, то за 1917 год было лишь около 70 боевых вылетов, во время которых было сброшено 10,7 т. бомб.
А как соотносились «Муромцы» с аналогичными иностранными бомбардировщиками периода Первой мировой войны? Немецкие «Ризены» или «Ризенфлюгцойги» (Riesenflugzeug, «Гигант») разрабатывались лишь с 1914 года и вступили в бой позднее «Муромцев» — 13 января 1916 года. Уже 24 августа экспериментальному образцу удалось сбросить почти 900 кг бомб. Затем самолет пошел в серию. Было построено 18 R. VI, из которых 16 применялись на фронте, поднимая до двух тонн бомб за вылет, нормальная же бомбовая нагрузка составляла 1300 кг. 29 июня 1917 года R. IV в четырехчасовом полете сбросил 1,5 т. бомб. С конца сентября 1917 года «Гиганты» атаковали Англию. Только один R.39 в 20 боевых вылетах сбросил на Англию 26 т. бомб, в том числе три 1000-килограммовые бомбы. Первая тонная бомба была сброшена на Челси ночью 16–17 февраля 1918 года. Еще ранее, 28–29 января, 300-килограммовая бомба убила 38 и ранила 85 человек. Немцы построили и три самолета серии R. XIV, при дальности полета в 1300 км. поднимавшие тонну бомб. «Гиганты» бомбили Париж, Дюнкерк, Булонь, Кале и другие французские города. 1R.VI и 1R.XIV были сбиты истребителями, а 1R.VI был сбит зенитным огнем. Еще 1R.VI разбился после боя по невыясненной причине. 13 «Гигантов» разбились по небоевым причинам в результате аварий.
В Германии массовыми стали двухмоторные бомбардировщики различных фирм — «Готы», AEG, «Фридрихсхафены» и небольшое число «Румплеров». «Гот» модификации G. IV было выпущено 230 машин, и G. V — около 200 машин. Имея лишь два мотора, в 1916 году они догнали «Муромцев» образца 1915 года по практической дальности и бомбовой нагрузке. Не уступая лучшим «Муромцам» 1916–1917 годов с моторами «Бердмор» по скорости—135 км/час, «Готы» превзошли их в грузоподъемности — до 500 кг бомб, поскольку с увеличением числа пулеметов на «Муромцах» их грузоподъемность уменьшилась. «Фридрихсхафены» поднимали до 1–1,5 т. бомб и имели максимальную скорость в 135 км/ч.
25 мая 1917 года 23 «Гота» бомбили Лондон днем, но двум пришлось вернуться из-за механических проблем. Погодные условия не позволили бомбить Лондон, поэтому бомбардировщики атаковали запасные цели на побережье. Атаки истребителей ПВО закончились безрезультатно. Девять «Сопвичей» из фронтовых эскадрилий перехватили возвращавшиеся бомбардировщики у бельгийского побережья и сбили один из них. Любопытно, что после уменьшения атак цеппелинов в 1916 году ПВО Лондона решено было сократить и разрешить открывать огонь только батареям охраны побережья. Вторая атака 5 июня пришлась на графство Кент, но третья, 13 июня, достигла Лондона. Погибло 162 человека, еще 432 было ранено. Ни один самолет из 14 не был сбит, несмотря на 92 истребителя в воздухе. Англичане приняли решение увеличить количество эскадрилий со 108 до 200. При бомбардировке 7 июля 22 самолетами погибло 54 человека и ранено 194 (по более поздним подсчетам — 65 и 245, соответственно), многие — от осколков зенитных снарядов, от ПВО потеряна всего одна «Гота». С мая по август 1917 года «Готы» совершили восемь рейдов на Англию, включая три на Лондон. С сентября усиление ПВО заставило немцев перейти на ночные действия, что увеличило потери самолетов при приземлении.
В 1913 году «Муромцы» были передовым образцом авиатехники, из-за быстрого прогресса авиации в годы войны они успели устареть. А их усовершенствованию, в частности, мешал дефицит в России хороших авиационных моторов, импорт которых во время войны был затруднен. В 1917 году английский одномоторный DH-4 «Хэвиленд» нес более 200 кг бомб со скоростью до 170 км/ч, а «Муромцы» с полным набором пулеметов — 150–200 кг при меньшей скорости и дальности. При этом DH-4 было построено примерно 1500, не считая почти 2000, выпущенных в США и успевших прибыть во Францию еще до конца войны. Французский «Бреге» 14, в значительной мере сделанный из алюминия, нес 3 пулемета и до 300 кг бомб со скоростью до 177 км/ч. С марта 1917 года и до конца войны было выпущено примерно 5500 этих машин.
Серийный (было выпущено более 600 машин) двухмоторный «Хендли Пейдж» воевал с марта 1917 года. Своеобразная ирония судьбы — английские моторы для этих бомбардировщиков, «Санбим» в 320 л. с., носили название «Казак». Италия, не самая сильная авиационная держава, смогла построить более 750 тяжелых бомбардировщиков «Капрони» разных модификаций («Капрони-4» поднимали до 1,5 т. бомб, «Капрони-5» — полтонны), Россия же произвела всего лишь около 80 «Муромцев».
