VP-21（前 VP-1）在 1939 年 9 月抵达菲律宾，PBY-4，注意桨毂整流罩
最后 4 架 PBY-4，BuNo1241、1242 和 1243 成为 PBY-5 的测试机，安装了腰部气泡状观察窗，其中 1241 还安装了为 PBY-5 设计的新垂尾和发动机舱。
1938 年年中，隶属珍珠港第 2 巡逻机联队的 VP-1，在交出了 PK-1 双翼机后前往圣迭戈换装 PBY-4 并进行训练。换装结束后，该中队在 1939 年 6 月 28 日将 15 架 PBY-4 飞回夏威夷。9 月 VP-1 更名 VP-21，受命前往菲律宾加入大西洋舰队。在这次途径中途岛、威克岛和关岛的史无前例飞行中该中队没有发生事故，顺利抵达菲律宾，成为建设中的美国海军远东空中力量的重要组成部分。1940 年该中队被编入大西洋舰队第 10 巡逻机联队，番号又改回到 VP-1。
驻菲律宾第 10 巡逻机联队的 PBY-4 涂上了适应战区环境的迷彩伪装，据信是灰蓝相间
其他装备 PBY-4 的单位只有 VP-18，也隶属第 2 巡逻机联队。到 1939 年年中，该中队已装备了 16 架崭新的 PBY-4，番号改为 VP-13，但是在 1939 年 7 月海军巡逻中队整编时又改为 VP-26。这还不是最终的番号，与 VP-1 中队一样，VP-26 沿着 VP-1 的飞行路线前往菲律宾，1940 年 12 月 16 日抵达马尼拉，加入新成立的第 10 巡逻机联队，该联队母港菲律宾卡威提海军航空站（NAS Cavite）。VP-1 最终番号为 VP-101，VP-26 为 VP-102。
跨大西洋号
1939 年 6 月，美国对外航空公司购买了一架 PBY-4 的民用型，民用注册号 NC 18997。这架飞机被命名为“跨大西洋”（Transatlantic）号，用于开拓北大西洋邮政货运航线。跨大西洋号机长是美国海军中最富盛名的大型水上飞机飞行员之一，帕特里克.J.伯恩斯（Patrick J"Pappy"Byrnes）准尉。跨大西洋号最后在 1944 年被海军征用为货运机。
“跨大西洋”号
P-9630
联合卖出的最后一架 PBY 民用型也是 PBY-4 的改型，1939 年 7 月交付英国用于研究。交货时这架飞机由 GUBA 号的机组驾驶从圣迭戈飞到英国费利克斯托（Felixstowe）。这次经由加拿大博特伍德（Botwood）的飞行是二战中军用飞机的首次跨大西洋交付飞行。P-9630 由皇家空军人员在费利克斯托的海军飞机试验站进行详细测试，给皇家空军留下了深刻印象。
皇家空军购买的 PBY-4，编号 P-9630
PBY-5 卡特林娜
1939 年秋联合公司的 PBY 项目似乎陷入了低谷，此时离最后一架 PBY-4 交付海军已近一年，在一线服役的 PBY 也将退役，而联合公司更先进的 Model 31 还在研制中。但 9 月希特勒入侵波兰后英德开战，皇家空军立即向联合定购了 106 架 Model 28-5（PBY-5），英国称为卡特林娜 I。1939 年 9 月美国确立了中立巡逻方针，从而对巡逻机的需求量大增。12 月 20 日美国海军采购 200 架 PBY-5，这是自一战一来美国海军最大的一笔军机采购。
1941 年在匡西特角海军航空站的 PBY-5，隶属 VP-52，注意腰部气泡观察窗
PBY-5 的几处改进已经在最后交付的 4 架 PBY-4 上经过了验证。平尾和升降舵经过，方向舵后缘成直线。在外观上最显著的变化就是将原先腰部机枪窗口的滑动门改为气泡状观察窗，扩大了腰部机枪手的射击观察范围，并将自卫武器统一为 12.7 毫米口径。另外把 PBY-4 安装在机身上的无线电测向仪环形天线移到机翼上。PBY-5 的动力装置为一对普惠 R-1830-82，起飞功率 1,200 马力，驱动汉密尔顿标准液压控制螺旋桨。PBY-5 极速 322 公里/小时，最大航程 3,162 公里。
PBY-4 与 PBY-5 垂直尾翼对比
卡特林娜两侧气泡观察窗视野良好
1940 年 9 月海军接收了首架 PBY-5。第二架 PBY-5 BuNo 2290 转交给海岸警卫队。9 月 15 日，海军又增订 90 架 PBY-5，并在 10 月将“卡特林娜”定为 PBY 正式绰号。
战时海上巡逻的 PBY-5，从和平时期银光闪闪的铝质蒙皮更改成上蓝灰下浅灰伪装色
美国海军博物馆中的 PBY-5，PBY 非两栖机现已幸存不多了
卡特林娜 I&II
英国定购的 Model 28-5 在 1940 年 11 月开始交付，因在装备上的略微不同又被分为卡特林娜 I/II 型。这些出口的飞机由美国对外航空公司的机组人员先飞到英属殖民地百慕达群岛（Bermuda），然后英国机组人员接手完成前往英国的最后飞行。皇家空军海防总队第 209 和 240 中队首批装备了卡特林娜。美国海军派出了 16 名经验丰富的 PBY 飞行员来帮助英国同行进行转换。1941 年 5 月，第 209 中队编号 WQ-Z 的卡特林娜发现了在北大西洋逃逸的卑斯麦号战列舰。
皇家空军海防总队第 209 中队的卡特林娜
1940~1941 年间，联合不断接到水上巡逻机的追加订单，卡特林娜是当时盟国唯一的水上巡逻机。澳大利亚定购了 18 架卡特林娜 I，加拿大定购 36 架，称为坎索，荷兰为东印度军队定购 36 架，法国定购 30 架，法国陷落后这批飞机转交给了英国。这些出口的卡特林娜与美国海军的飞机共用同一生产线，结构上与海军的 PBY-5 一样，但在内部的军械、无线电、救生装备等细节之处按购买方标准实施，所以各不相同。
澳大利亚空军的卡特林娜 I
PBY-5A 水陆两用飞机
1939 年春最后一架生产型 PBY-4 BuNo 1245 被改装为水陆两用飞机，安装了可收放前三点式起落架。前起落架完全收入前机腹，主起落架收入机身两侧的轮舱内。改装完毕后飞机空重增加了 1,043 千克，型号也改为 XPBY-5A。原型机在 1939 年 11 月 22 日首飞。认识到水陆两用飞机的实用性与多功能性后，海军在 1939 年 2 月签订了合同，将定购的后 30 架 PBY-5 改为 PBY-5A 两栖机。盟国跟进定购 PBY-5A 两栖机。1940 年 12 月 5 日海军又增订了 134 架 PBY-5A，1941 年 6 月增订 30 架，1941 年 10 月增订 22 架。