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。
模型：VP-24 的 PBY-5A，翼下挂载一枚鱼雷
在所有卡特林娜中队发展和使用的战术中，最有效和最壮观的是 1942 年中期直到战争结束在南及西南太平洋实施的夜间搜索攻击，此战术被称为“黑猫”战术。由于在战争最初的几个月中 PBY 遭受大量损失，在防空炮火和战斗机攻击面前显得很脆弱，所以海军考虑将卡特林娜用于夜间攻击任务。当时日军惯于在夜间使用驳船和登陆艇运送补给和人员，以维持他们在太平洋众多岛屿上的驻军，在安装了有效的雷达后，PBY 将被用于夜间袭扰性攻击。
执行黑猫任务的 PBY-5A 和机组，全机涂成黑色
黑猫装备的无线电高度计允许 PBY 可以在战斗机害怕接近的漆黑海面上掠过，PBY 在白天成为明显目标的巨大身躯可以装载大量燃油和弹药，在夜幕的掩护下悄然进入敌人控制的地区。黑猫可以整晚巡航，通过雷达搜寻猎物或在日本运输舰航线附近伏击。
盟国空中力量也参与黑猫行动，图中是澳大利亚皇家空军的卡特琳娜 IV，驾驶舱上方安装有搜索雷达
巡逻机中队夜间攻击和袭扰日军运输艇的行动始于 1942 年末的所罗门海域。VP-12 是第一个被指定专门进行夜攻任务的中队，该中队在 1942 年 12 月换装全黑涂装的 PBY-5A 抵达瓜岛，并在此作战至 1943 年 3 月直到被 VP-54 接替。后期部署在瓜岛和所罗门群岛的黑猫中队有 VP-81、VP-11、VP-52 和 VP-101。
被击毁的日本货船 累累弹痕的黑猫
随着战线的西移，巡逻机中队也随之移动，通常依靠供应舰为基地，也有一些幸运的中队得以进驻已建好滑行斜坡和辅助设施的岛屿。而装备两栖机的中队在无陆上机场的情况下只能依靠供应舰从海上机场起降。先进的雷达和改进的战术使黑猫成为敌水面舰艇的噩梦，严重干扰了日本岛屿驻军的物资和兵员补给，黑猫行动在 1943 年末达到最高潮。
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。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。
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！
油画：一架执行救援任务的黑猫
战后美国海军很快淘汰了卡特林娜。在战争开始时就想被海军退役的 PBY 终于被新一代的巡逻飞机，包括马丁 PBM 水上飞机、PB4Y-2 和 P2V 陆基飞机所取代。到 1948 年整个舰队中仅剩 5 架 PBY，还有少量在后备中队。1957 年 1 月 3 日最后服役中的卡特林娜，一架隶属佐治亚州亚特兰大后备中队的 PBY-6A 正式退役，从这天起一代名机，二战美国海军航空史上真正的军马成为了历史。
这架 PBY-6A 颇具传奇性，完工于原子弹轰炸广岛之日，交付于轰炸长崎之日，在海军中一直服役到 1956 年。1987 年被国家战机博物馆购买。现涂装为 VP-62
1950 年代卡特林娜继续在多国空军中服役，主要用于搜救任务。巴西和墨西哥装备有一些 PBY，多数是后期生产的 PBY-5A 和 PBY-6A 及坎索 A，一直使用到 1970 年代。丹麦有一个中队的 8 架卡特林娜两栖机，主要部署在格林兰岛，1971 年初退役。
巴西空军的 PBY-5A 丹麦空军的卡特林娜，摄于 1960 年代，型号可能是 PBY-6A
新西兰空军装备的 PBY-4，一直服役到 1953 年 3 月 新西兰空军的PBY-5A
在美国和加拿大，许多卡特林娜被改装为灭火机用于扑灭森林大火，表现相当出色。改装工作包括密封机身隔舱以容纳飞机在水面以 70-75 节速度滑行时汲取的 4,164 升水，机身底部安装了一个可收放的汲水，可在 15-20 秒内汲取 3,028 升的水。
PBY-5A 灭火机 绿色和平组织的 PBY-5A 正在启动发动机准备进行另一次巡逻
卡特林娜另一个成功的角色是地质勘探，机身内安装了磁力计和其他探测设备以探测矿藏和分析地表下地形，PBY 的航程和较低的巡航速度非常合适执行这个任务。
美国共生产了 3,300 架卡特林娜水上飞机和水陆两用飞机，其中近 100 架至今仍在飞行，继续表现出极佳的其多用途性和可靠性，而正式这些特性使卡特林娜当初赢得了“能前往任何地点、能执行任何任务的军马”美誉。尽管 PBY 诞生至今已有 68 年历史，可能至今还没有一种飞机能比 PBY 更好地同时完成下列任务：改装成灭火机扑灭森林大火；搭载磁力计进行地质勘探；运送人员、补给和重型装备到难以接近的地区；或者成为内部豪华装修的私人飞机，将人们送至没有机场的无人区度假。