В декабре 1937 года были закончены государственные испытания усовершенствованного серийного ДИ-6М-25В с мотором М-25В взлетной мощностью 750 л. с., опущенным вниз горизонтальным оперением, увеличенной на 0,254 м2 площадью элеронов, звуковой сигнализацией уборки и выпуска шасси и рядом других изменений. В итоге возросла эффективность на взлете: самолет стал легко отрывать хвост в начале разбега. Несмотря на очередное увеличение массы пустого ДИ-6М-25В, его летные характеристики приблизились к первой опытной машине. Несколько уступая по маневренности, ДИ-6М-25В не уступал по максимальной горизонтальной скорости И-15бис.

В мае 1936 года ДИ-6 принимали участие в первомайском воздушном параде над Красной площадью. 7 самолетов в октябре 1936 года поступили в 56-ю истребительную авиабригаду Киевского военного округа. Однако переучивание на новую технику тормозилось отсутствием ДИ-6 с двойным управлением, малым количеством ДИ-6 и некомплектом летчиков. Положение осложнялось регулярно находившимися производственными недоработками – как, например, трещины лопасти винта. Тем не менее на 1 октября 1937 года в частях ВВС находилось 28 ДИ-6.

По планам командования на январь 1939 года планировалось иметь на вооружении 60 истребителей ДИ-6И и 64 штурмовика ДИ-6Ш.

Однако реально уже в 1939 году началось постепенное вытеснение ДИ-6 из строевых частей в учебные и разведывательные. К осени 1939 года многие эскадрильи, вооруженные ДИ-6, стали переучиваться на И-15 бис.

После двух лет эксплуатации ДИ-6 в Киевском особом военном округе летом 1939 года пришли к выводу, что их целесообразней использовать как разведчики, что и было осуществлено во время «освободительного похода». Осенью 1939 года 6-й штурмовой авиаполк 52-й омской авиабригады Сибирского военного округа, имевший 63 ДИ-6Ш (из них 8 неисправных), приступил к освоению бомбардировщика СБ.

Из имевшихся в наличии на 1 января 1940 года 173 самолетов ДИ-6 планировалось оставить 39 самолетов в двух строевых эскадрильях при штатной численности 24 самолета, 99 машин передать училищам и 35 списать ввиду износа в течение года. На 1 июля 1940 года в ВВС при штатной потребности 87 единиц находилось 180 самолетов ДИ-6, из них 42 в неисправном состоянии.

В 1939–1940 годах четыре ДИ-6 использовались для отработки навыков запуска и проверки работоспособности мотора во 2-м Ленинградском ВАТУ им. Ленинского краснознаменного комсомола, два ДИ-6 – на Ленинградских авиационно-технических курсах усовершенствования ВВС при 1-м Ленинградском ВАТУ им. Ворошилова и один ДИ-6 – в Серпуховской военной авиационно-технической школе. В октябре 1940 года штаб ВВС передал заместителю начальника Генштаба РККА генерал-лейтенанту Смородинову подготовленный по его указанию проект постановления Комитета обороны при СНК СССР об исключении из самолетного парка негодной и устаревшей техники. Этим документом, в частности, предусматривалось списать и исключить из состава ВВС 13 не подлежащих ремонту ДИ-6, снять с вооружения и исключить из самолетного парка 80 ДИ-6, требующих среднего и капитального ремонта. На этом история ДИ-6 в ВВС РККА завершилась.

Что касается использования ДИ-6 в условиях боевых действий, то тут в исторических исследованиях есть несколько устоявшихся мифов. Так, некоторые исследователи пишут, что экипажи ДИ-6 доблестно воевали не только на Халхин-Голе (где якобы даже сбили два японских истребителя), но и в ходе финской войны. Однако стоит сказать, что среди сбитых поврежденных или аварийных самолетов советских ВВС как в той, так и в другой войне таких машин не числится. По всей видимости, на уровне слухов стоит расценивать также и всплывающую регулярно информацию об участии ДИ-6-х в Великой Отечественной войне. Из подтвержденной информации можно говорить только о двух ДИ-6, захваченных немецкими войсками на аэродромах в полуразобранном состоянии. Имеются также косвенные данные о том, что небоеспособные самолеты использовались на ложных аэродромах.

К концу 1930-х годов советским военным теоретикам стало ясно, что идею пушечного противотанкового штурмовика более целесообразно было реализовать по двухмоторной схеме, когда мощные пушечные батареи ставятся по оси симметрии самолета или вблизи ее – в этом случае легче обеспечить требования по кучности стрельбы в борьбе с бронированными целями.

В этом контексте следует вспомнить проект воздушного истребителя танков Поликарпова ВИТ-1 («воздушный истребитель танков-1»), истоки которого стоит искать в конце 1935 года, когда Н.Н. Поликарпов начал прорабатывать концепцию скоростного многоцелевого двухмоторного самолета с использованием относительно мощных для того времени моторов М-100, М-34ФРН, М-85 и М-25. Вскоре нашелся и «главный калибр» – 37-мм пушка, разработанная известным конструктором авиационного вооружения Б.Г. Шпитальным [45] .

К лету 1936 года сформировался облик будущей машины, причем даже в трех вариантах: второй с моторами М-100 и третий – с моторами М-34ФРН.

Самолет представлял собой двухмоторный цельнометаллический моноплан хороших аэродинамических форм с установленными по бортам фюзеляжа двумя 37-мм пушками системы Шпитального с общим боезапасом 100 снарядов. В носовой части фюзеляжа перед летчиком предполагалась установка неподвижной пушки ШВАК с запасом 100 (в перегрузку 150–200) снарядов, с ленточным непрерывным питанием. В кабине стрелка для защиты верхней полусферы устанавливался пулемет ШКАС с магазинным питанием.

В счет перегрузки предусматривалась бомбовая нагрузка 200 кг (2 ФАБ-100 или 20 А0—10). При снятых 37-мм пушках бомбовая нагрузка возрастала до 1000 кг (2 ФАБ-500 или 4 ФАБ-250).

К сожалению, предложение Н.Н. Поликарпова по созданию специализированного противотанкового самолета большого энтузиазма у специалистов ВВС в то время не вызвало, поэтому программа шла весьма неспешно.

В связи с желанием заказчика, параллельно с ВИТ Поликарпов разрабатывает и вариант многоместного пушечного истребителя МПИ-1. В итоге Поликарпов предъявил эскизный проект самолета в двух вариантах: многоместного пушечного истребителя и противотанкового самолета.