阿拉多公司代工的 He 177A-1，共生产 130 架
首批入役的 He 177A-1 主要用于测试飞机的战场适用性，但令德国人失望的是，这些飞机在服役中暴露出大量技术问题，其中最严重的仍是发动机过热。另一个严重问题是 He 177A-1 的机翼强度不足，在大过载飞行中有折断的危险。经过几周的试用，作战部队将 He 177A-1 判定为不适合参加作战，这些飞机随后返回德国。由于遭到作战部队的拒绝，He 177A-1 仅被用于测试和执行一些二线任务，但即便如此，仍有为数不少的 He 177A-1 在使用中坠毁。He 177A-1 共生产了 130 架，其中 19 架因各种原因坠毁，占总产量的 14％。He 177 的服役生涯就以这样一个糟糕的方式拉开了序幕。
部分记录称在 1942 年 8、9 月间，He 177 曾对英国南部发动过高空轰炸，英国的地面观察人员将这些飞机称为“He 177”，但这些飞机实际上是容克斯 Ju 86R 高空轰炸机。1942 年 9 月一架 Ju 86R 被英国空军的“喷火”战斗机击落后，德国对英国的高空轰炸行动宣告结束。
He 177A-1 失败后，亨克尔对其设计做了大幅度修改，推出了 He 177 的第二个量产型，即 He 177A-3。A-3 换装了更为结实的机翼，机身加长 6 英尺 3 英寸，发动机短舱前移 8 英寸，使飞机的操纵性得到了改善。前 15 架 He 177A-3 的动力仍为 DB606，从第 16 架开始，He 177A-3 开始配备动力更强的 DB610 发动机，该发动机由两台 DB605 并联而成，起飞功率达 2,950 马力。
1943 年 KG40 装备的初期型 He 177A-3
He 177A-3 投产时，德国的战争形势日趋恶化，轰炸机的战场环境远比大战初期险恶，He 177 原有的自卫火力已难于适应战场的需求。因此 A-3 将机身后上方的 7.9 毫米机枪改为一座内装13毫米机枪的炮塔，遥控炮塔内的 13 毫米机枪增加到 2 挺。A-3 还进行了其他一些改进措施来改善飞机的操纵性和发动机过热问题，但进行这些改进的同时也导致飞机重量再度增加。
1942 年秋，第 1 批 He 177A-3 被送至驻扎在勃兰登堡－布里斯特的第 50 补充轰炸机联队，经过匆忙的换装训练后，该部番号改为第 50 轰炸机联队第 1 大队（I/KG50），随后前往苏联的扎波罗热接受冬季环境下的作战测试。I/KG50 来到苏联时正赶上德国第 6 集团军被苏军包围在斯大林格勒，德国空军正在动用一切力量向被围德军运送补给。
I/KG50 应希特勒的命令也参加了这次空运行动，但事实证明 He 177 并不适合这种任务，He 177 的大部分机身空间被油箱、炸弹舱及其他设备占据，只能运送少量给养和伤员。因此 He 177 在空运中只是一个不起眼的小角色，唱主角的是体型比 He 177 小的多的 Ju 52 和 He 111。在参加了数次空运任务后，I/KG50 重新开始执行轰炸任务。
1943 年 2 月初，斯大林格勒的被围德军向苏军投降，I/KG50 和剩下的 He 177 撤出东线，返回德国。在东线作战的几个月里，I/KG50 共损失了 7 架 He 177，但其中没有一架是毁于与苏军的交战。
如前所述，肩负反舰作战任务的第 40 轰炸机联队很早就盼望着能用 He 177 来接替 Fw 200。在经历了使用 He 177A-1 的不快后，第 40 轰炸机联队第 2 大队（II/KG40）于 1943 年夏季开始换装 He 177A-3。II/KG40 为 He 177 配备了 Hs 293 无线电制导遥控滑翔炸弹，每架 He 177 可在两翼和机身下方各挂一枚滑翔炸弹。
Hs 293 无线电遥控滑翔炸弹，尾部有闪光指示器
He 177 此时身上虽然仍有很多问题有待解决，但当时紧迫的战争形势迫使德国只得暂时将这些问题搁在一边，而让战机立即投入作战。1943 年 11 月 21 日，II/KG40 出动 25 架 He 177A-3 对盟军的 SL139/MKS30 船队进行了空袭，该船队当时正在据西班牙菲尼斯太尔角东北 420 英里外航行。
He 177 机群由 II/KG40 大队长鲁道夫•蒙斯率领，每架飞机携带两枚滑翔炸弹。当德机飞抵目标区域时，海面正被浓雾笼罩，对搜索目标造成了很大阻碍。德机发现盟军船队后，立即发动了攻击，很差劲能见度使投弹手难以对炸弹实施有效的控制。结果德军投下的炸弹仅命中“马尔萨”和“戴留斯”两船，其中前者被击沉，后者遭受重创。
战争初期 KG40 的一次授勋仪式，左起第二位就是鲁道夫•蒙斯
就在德机对盟军船队发动进攻的同时，一架在船队上空执行反潜巡逻的英军 B-24“解放者”勇敢的对德机发动攻击，扰乱了德军的进攻。当时第一架德机中弹起火，仓皇逃离战场。第二架德机见势不妙，赶紧投下炸弹转身就跑，但 B-24 却紧追不舍，直到看见德机右侧发动机起火方才罢手。在这场罕见的空战中，B-24 的英勇举动不仅保护了己方船队，而且自身毫发无损。
是次出击，He 177 共投下了 46 枚滑翔炸弹，仅命中 2 发。II/KG40 在此次作战共损失 4 架 He 177，其中一架在盟军船队附近坠毁；一架因不明原因在基地附近坠毁；第三架在返航途中因燃料耗尽坠毁，机组人员跳伞逃生；最后一架在迫降是严重受损，彻底报废。还有四架飞机遭受重创。虽然付出了如此大的代价，He 177 却仅取得了击沉一艘盟军舰船的糟糕战绩。更为糟糕的是，这次作战表明 He 177 身上仍有大量的技术问题没有得到妥善的解决。
He 177 投放 Hs 239 时的战术
Hs 293 在无线电的控制下飞向目标
5 天后的 11 月 26 日，蒙斯再次率队出击，这次的目标是阿尔及利亚海岸附近的一支盟军船队。He 177 机群起飞后不久，就有一架飞机因发动机曲轴箱发生故障而被迫返航。当 He 177 机群飞抵船队上空时，立即遭到盟军舰船上高炮的反击。没过多久，闻讯赶来的盟军战机对德机发动了猛烈攻击，6 架 He 177 在空战中被击落，其中就有大队长蒙斯的座机。