В начале 1930 г. завод № 22 приступил к изготовлению серии из 10 самолетов, а к 1 июня планировалось сдать хотя бы 6 из них. Таким образом, «внеплановый» АНТ-9 попал в производство почти на год раньше, чем Р-6, на базе которого он был сделан! Половина машин предназначалась ВВС, половина - ГВФ. Из-за задержки с получением двигателей к их установке приступили только в августе. Внешне самолет с «Уирлуиндами» почти не отличался от опытного: отказались от частичного капотирования моторов и убрали коки с винтов. Винты взяли другие - стальные американской фирмы «Стил пропеллер корпорейшн». Устраняя недостатки опытной машины, ход стабилизатора увеличили. Камышовые кресла в салоне заменили алюминиевыми. Вес пустого несколько возрос, в основном за счет мотоустановки.
16 сентября головной серийный АНТ-9, совершивший на заводе только один полет, прибыл в НИИ ВВС. Испытания шли до 25 сентября, и за это время машина поднималась в воздух 10 раз. Отзывы летчиков НИИ о серийном АНТ-9 оказались куда хуже, чем о его предшественнике. С одной стороны, выросли максимальная скорость и потолок, осталась удовлетворительной устойчивость, самолет по-прежнему мог лететь на двух моторах: крайних - без проблем, на крайнем и центральном - с незначительным снижением. С другой стороны, площадь руля поворота при возросшей тяге оказалась недостаточной и пилотировать машину стало сложно. Летчики указывали: «Выходит из виража медленно и с большими нагрузками на рули... при попадании в свою струю становится неуправляемым». На посадке появилась тенденция к развороту влево. В придачу специалисты института выдвинули ряд замечаний по конструкции - от достаточно серьезных (осадка пластин амортизаторов, неудачное расположение сливных маслокранов) до выглядящего сейчас карикатурным: «Штурвалы... надо обмотать шпагатом, так как сильно холодит руки». В итоге заключение: «В серию до устранения недостатков запущен быть не может».
А серия уже стоит в Филях! И практически готовые самолеты начали дорабатывать. Руль поворота нарастили вверх, что в достаточной мере улучшило управляемость. На цилиндры двигателей одели кольца Тауненда, а индивидуальные выхлопные патрубки заменили коллекторами. Устранили и ряд мелких дефектов, вроде вибраций обтекателей амортизаторов шасси. Однако эти работы потребовали времени и, хотя к 17 декабря на заводе фактически были готовы все 10 АНТ-9, сдать удалось лишь один. Таким образом, планы выпуска самолетов провалились.
Машины с «Райтами» поступили в эксплуатацию только в феврале 1931 г. Первые самолеты попали во Всесоюзное объединение гражданского воздушного флота (ВО ГВФ) - бывший «Добролет», чуть ранее поглотивший «Укрвоздухпуть». Один из рейсов был совершен из Москвы в Тобольск. Летчик И.В.Михеев и бортмеханик Монахов отправились в Сибирь за мехами для пушного аукциона. Из Тобольска они слетали в Березово и Салехард, забрав отдельные партии товара. Это был первый рейс на обской линии, которая со следующего года стала регулярной.
В Сибири АНТ-9 летал на лыжах. Первоначально хотели спроектировать для него специальные лыжи, но ввиду перегрузки подразделений ЦАГИ этого не сделали, и машину оснастили лыжами от ТБ-1. Затем внедрили их облегченный вариант, прошедший испытания в НИИ ГВФ в марте 1931 г. И, наконец, в начале 1932 г. завод № 28 стал выпускать специальные металлические лыжи для АНТ-9. Планировался и поплавковый вариант шасси. Впервые такое предложение появилось в 1929 г. на совещании Комиссии по гражданскому самолетостроению. Поскольку ЦАГИ и так был сильно занят, решили купить поплавки за границей. По неизвестной причине закупка не состоялась, но в 1931 г. один АНТ-9 был установлен на поплавки отечественной конструкции. Предполагалось, что собирать гидросамолеты будет завод №31 в Таганроге. Никаких документов о дальнейшей судьбе поплавкового варианта не сохранилось.
Несколько самолетов с «Уирлуиндами» весной 1932 г. передали советско-германской авиакомпании «Дерулюфт», обслуживавшей линию Москва-Берлин. АНТ-9 летали на участке Москва-Великие Луки-Каунас-Кенигсберг, а дальше пассажиров везли немецкие «Юнкерсы». В «Дерулюфте» машины немного доработали. Например, на некоторых из них установили обтекатели колес, а крыло одного самолета обтянули полотном поверх гофра, что несколько увеличило скорость. Дерулюфтовские АНТ-9 имели собственные имена: «Чайка», «Орел», «Ястреб», «Коршун» и «Голубь» (бортовые обозначения соответственно: URSS-D308, URSS-D310, URSS-D31 1, URSS-D312, URSS-D313). Все они считались советскими, кроме еще одного, вписанного в германский регистр как D 2831 (бортовое обозначение URSS-D309).