В ВВС АНТ-9 поступили чуть позже, в марте-апреле 1931 г. По одной машине получили 3-я, 16-я и 20-я авиабригады, остальные принял отряд особого назначения (ООН). С этими самолетами связано рождение советских воздушно-десантных войск. 15 августа 1931 г. два АНТ-9 выбросили в районе Красного Села (под Ленинградом) 19 парашютистов с целью захвата площадки для посадочного десанта. С парашютами приземлились также тяжелое оружие и боеприпасы, в том числе две динамо- реактивные (безоткатные) пушки. После того, как парашютисты заняли оборону, на площадку села эскадрилья ТБ-1. По тому же сценарию организовывались десантные операции на маневрах Киевского военного округа: 10 и 14 сентября под Могилевкой высаживались комбинированные парашютно-посадочные десанты с участием трех АНТ-9.
АНТ-9 «Чайка» (борт URSS-D308) и Ju 52/3m общества воздушных сообщений «Дерулюфт» на аэродроме в Кенигсберге
В качестве военно-транспортного самолета на АНТ-9 возлагались большие надежды. По одной машине предполагалось иметь в составе каждой эскадрильи из придававшихся первым воздушно-десантным батальонам. Правда, реализовано это не было - они получили ТБ-1. Единственный боевой десант высадили в сентябре 1931 г. в Средней Азии во время ликвидации Койматской группировки. На АНТ-9 и «Юнкерсе» F 13 из 95-го транспортного авиаотряда перебросили в осажденный басмачами поселок пулеметное отделение с двумя «максимами». Сформированная на базе 16-й авиабригады Туркменская авиагруппа в течение двух месяцев вела операции на юге Туркменистана. Снабжение группы и сухопутных войск в этих малонаселенных районах осуществлялось зачастую только по воздуху. АНТ-9 за это время перевез 221 человека (в т.ч. 57 раненых), 11500 кг различных грузов, включая горючее для самолетов и автобронетехники. Был даже случай, когда его использовали как бомбардировщик. 11 сентября группа Р-2 бомбила басмачей у озера Джамала, вместе с ними в налете участвовал АНТ-9, который нес на подфюзеляжных держателях 10 бомб по 8 кг.
Военные самолеты первой серии ничем не отличались от гражданских, кроме окраски. Причем именно она доставила немало неприятностей. Машины ГВФ покрывались «серебрянкой» - алюминиевой пудрой на аэролаке, она неплохо держалась на металлической поверхности. Военные же получили стандартный для того времени камуфляж ВВС РККА - зеленый верх и светло-голубой низ. Но имевшиеся в распоряжении краски предназначались для нанесения на дерево и полотно, а на дюрале шелушились и осыпались. После нескольких перекрасок на инструкции плюнули и перешли на «серебрянку».
УВВС рассматривало и другие возможности военного применения нового самолета. Еще в марте 1929 г. Реввоенсовет поставил вопрос о переброске горючего по воздуху. В качестве потенциальных летающих танкеров предложили К-5 и АНТ-9. По оценке УВВС последний мог взять до 2140 кг бензина и доставить его на расстояние 100-150 км. Этого хватило бы на заправку 9-10 истребителей, но при такой нагрузке АНТ-9 не смог бы сесть на полевой аэродром. В апреле 1931 г. УВВС предложило ЦАГИ проработать санитарный вариант самолета на 6 лежачих и 3 сидячих места. Для этого собирались снять шесть кресел и смонтировать устройства для крепления носилок. Опытную машину требовалось предъявить к 10 сентября 1931 г., но лишь 11 января следующего года состоялся осмотр готового санитарного оборудования. По крайней мере один АНТ-9 оснастили как санитарный.
Работы по «бомбардировщику 3-го класса» шли куда медленнее. До весны 1930 г. ЦАГИ не сделал по этой теме ничего, кроме самых общих прикидок, но задание оставалось в силе. Более того, в октябре 1930 г. оно было уточнено УВВС. Бомбы (калибра 50, 80 и 100 кг) предполагалось размещать внутри фюзеляжа в кассетах. Стрелковое вооружение из 7-8 пулеметов должно было обеспечить сферический обстрел. Пункты задания представители НИИ ВВС еще более конкретизировали на совещании на заводе №22 в декабре того же года. В кассетах должны были размещаться «пять бомб по 50 или 82 кг и две по 250 кг». Взлетный вес по сравнению с пассажирским вариантом увеличивался примерно на 10%. Стрелковое вооружение состояло из 6 пулеметов ДА: четырех шкворневых (один - за пилотской кабиной, два - в окнах салона, один - в люке в полу между 7-м и 8-м шпангоутами) и спаренной турельной установки над местом, где ранее располагался туалет. Экипаж планировался из пяти человек: двух пилотов, штурмана-бомбардира и двух стрелков. Особо указывалось; «Часть переделок может быть внедрена на пассажирских самолетах с целью возможного превращения их в бомбовозы».