1946年9月陆航接收了首架生产型F-15A-1-NO，但F-15的生产合同在1947年被突然取消。由于新一代喷气式飞机的出现，该机的性能瞬间落后。在合同被取消时诺斯罗普只生产了36架F-15A，1947年4月陆航接收的最后一架F-15A 45-59335，该机是F-15A-5-NO批次，与F-15A-1-NO批次相比换装了新型照相机。
F-15A-1-NO 45-59302是第一架服役的F-15，绰号“克朗代克的柯达”
美国本土的陆航装备司令部装备了9架F-15A，其余的都分配给驻日第20战斗绘图中队和第56战斗机大队第8照相侦察中队。这些F-15A参加了对日占领行动，其中几架还执行了战后航拍绘图项目，对日本的海滩、村庄、道路网和文化中心进行了广泛的航拍，并且对朝鲜半岛也进行了航拍。1950年朝鲜战争爆发后，这些资料起到了非常大的作用。还有一些F-15A在菲律宾和西里伯斯拍摄了巴丹死亡行军路线，以作为审判战犯的证据。
第20战斗绘图中队的F-15A 45-59324 40年代后期F-15的备件出现短缺，只能从报废的和部分可飞的“记者”上拆卸零件以维持其他飞机的飞行。1948年8月美国空军成立后，代表驱逐机的“P”前缀被代表战斗机的“F”前缀代替，所以“黑寡妇”的编号改为F-61，代表照相侦察机的“F”前缀被代表侦察的“R”前缀代替，所以“记者”的编号被改为RF-61C（因为该机的设计基于P-61C）。1949年4月1日唯一一支装备RF-61C的中队——第82战术侦察中队解散，所有幸存的RF-61C被重新分配给约翰逊空军基地的第35维护中队处置，其中一部分作为剩余物资在民间市场出售，还有一部分报废。
美国海军的F2T-1
早在1942年夏，美国海军就表露出了对P-61“黑寡妇”的兴趣，他们需要一种能在太平洋战场各岸基机场部署的夜间战斗机。但因“黑寡妇”要优先提供给陆航，所以直到1944年年中海军的要求才得到满足，获准装备“黑寡妇”。海军的“黑寡妇”将与洛克希德PV-1“文图拉”、沃特F4U“海盗”和格鲁曼F6F“地狱猫”夜战型一起装备海军陆战队的夜间战斗机中队。
但是在1944年7月10日海军改变了想法，把格鲁曼F7F“虎猫”列为主要夜间战斗机，取消了“黑寡妇”的采购。在F7F形成战斗力前，海军还是从陆航获得了12架P-61B-10/-15/-20用于夜间战斗机飞行员的培训。海军“黑寡妇”的编号为F2T-1，序列号52750~52761。但F2T-1直到1945年9月才服役，此时太平洋战争已经结束。
美国海军的F2T-1 F2T-1只在岸基训练中队服役了很短时间，随后进入支援中队服役。1947年8月最后两架F2T-1从美国海军退役。
“黑寡妇”的作战与服役
太平洋战场
P-61“黑寡妇”首次参加实战是在太平洋战场，1943年下半年第418、419、421夜间战斗机中队经船运部署在西南太平洋地区。1944年6月24日“黑寡妇”在塞班外海执行了第一次作战任务，6月30日获得首次猎杀战绩，第6夜间战斗机中队的飞行员戴尔·F·哈沃森少尉和雷达操作员雷蒙德·P·穆尼击落一架一式陆攻。在“黑寡妇”投入作战后，日军气焰嚣张的夜间骚扰性轰炸行动得到了有效遏制。在典型的拦截任务中，“黑寡妇”先在地面雷达引导下接近目标，然后雷达操作员打开机载AI雷达搜索到目标，引导飞行员进一步接近并目视发现敌机，距离足够接近后，飞行员或机枪手向目标射击发起攻击。对于这些日本骚扰飞机来说，太平洋夜空中的“黑寡妇”就是一个致命的不速之客。
1945年塞班岛上第6夜战中队的P-61A “黑寡妇”的主要任务之一就是保护塞班的B-29基地免受日军的夜间轰炸，在夜间执行战斗空中巡逻和截击任务。他们还帮助许多轰炸日本后返航的受伤和迷航B-29返回塞班。
飞行中的P-61A，透明雷达罩内的雷达天线清晰可见 “黑寡妇”随后还部署在了新几内亚和菲律宾。在菲律宾的“黑寡妇”执行了夜间“入侵者”任务，攻击了日军机场和地面设施。此外还参加了硫磺岛和冲绳战役。
瓜达卡纳尔岛上第38维护中队的小伙子们正在修理P-61的机腹机炮
中缅印战场
“黑寡妇”也活跃在中缅印战场上。1944年10月30日P-61在该战场获得了首个猎杀战绩，第426夜间战斗机中队的罗伯特·R·斯科特和查尔斯·W·菲利普斯中尉驾机从昆明基地起飞，击落一架日本双发飞机。驻中国“黑寡妇”的主要任务是消灭日军的夜间轰炸，在日本的夜间行动偃旗息鼓后，“黑寡妇”开始执行了夜间“入侵者”任务，对中国和缅甸的日本地面设施进行了攻击。
第426夜间战斗机中队的P-61A-10 42-5619，四川境内一个前进机场
欧洲战场
1944年5月23日首架P-61抵达欧洲。“黑寡妇”一开始部署在英格兰基地，任务是追击夜间发射的V-1“嗡嗡弹”。“黑寡妇”依靠地面雷达站引导接近V-1，因为V-1的速度比P-61稍快，所以“黑寡妇”只能从后上方浅俯冲才能抓住V-1。1944年7月16日“黑寡妇”获得了首个V-1猎杀战绩，第422夜间战斗机中队的飞行员赫尔曼·恩斯特和雷达操作员爱德华·克普泽尔击落了一架V-1。猎杀V-1的最大危险之一就是在向导弹射击时距离太近，导弹爆炸时会殃及本机。
第422夜间战斗机中队的P-61王牌飞行员赫尔曼·恩斯特 诺曼底登陆后，许多“黑寡妇”转移到法国，主要任务是在夜间攻击火车、装甲车、以及其他地面目标，也猎杀过一些在夜间飞行的德国飞机。
1944年英国斯科顿基地第425夜战中队的P-61A，已经涂上了D日入侵条纹
“黑寡妇”战时部队
第7航空军第6夜间战斗机中队，1944年5月接收“黑寡妇”，先后在瓜达卡纳尔、新几内亚、塞班岛、硫磺岛服役。1947年2月被改编为第339全天候中队。
第12航空军第414夜间战斗机中队，1944年12月接收“黑寡妇”，先后在阿尔及利亚、撒丁岛、科西嘉岛、意大利、比利时服役。1947年8月被改编为第319全天候中队。
第12航空军第415夜间战斗机中队，1945年3月接收“黑寡妇”，先后在意大利、科西嘉岛、法国、德国服役。1947年9月被撤销。
第12航空军第416夜间战斗机中队，1945年6月接收“黑寡妇”，先后在意大利、科西嘉岛、法国、德国服役。1946年11月被改编为第2战斗机中队（全天候）。
第12航空军第417夜间战斗机中队，1945年4月/5月接收“黑寡妇”，先后在意大利、科西嘉岛、法国、德国服役。1946年11月被撤销。
第5航空军第418夜间战斗机中队，1944年9月接收“黑寡妇”，先后服役于新几内亚、菲律宾。1947年2月被撤销，1948年8月重建为第4全天候中队。
第13航空军第419夜间战斗机中队，1944年5月接收“黑寡妇”，先后服役于新几内亚、菲律宾。1947年2月被撤销。
第5航空军第421夜间战斗机中队，1944年6月接收“黑寡妇”，先后服役于新几内亚、菲律宾。1947年2月被撤销，1948年8月重建为第68全天候中队。
第9航空军第422夜间战斗机中队，1944年5月接收“黑寡妇”，先后在英国、法国、比利时、德国服役。1945年9月被撤销。
第9航空军第425夜间战斗机中队，先后服役于英国、法国、德国。1947年8月被撤销。
第14航空军第426夜间战斗机中队，1944年9月接收“黑寡妇”，在服役印度、中国服役，保护B-29基地免遭日军空袭。1945年11月被撤销。
第14航空军第427夜间战斗机中队，1944年8月接收“黑寡妇”，短时间在意大利服役，素后被部署到印度、缅甸、中国。1945年10月被撤销。
第5航空军第547夜间战斗机中队，1944年3月组建，先后服役于新几内亚、菲律宾、伊江岛、日本。1946年2月被撤销。
第7航空军第548夜间战斗机中队，1944年4月组建，先后在塞班岛、硫磺岛、伊江岛服役。1945年12月被撤销，1969年被重建为第548战斗训练中队，现在仍然在编。
第7航空军第549夜间战斗机中队，1944年5月组建，先后在塞班岛、硫磺岛服役。1946年2月被撤销。
第7航空军第550夜间战斗机中队，组建于1944年6月，1945年1月接收“黑寡妇”，先后服役于新几内亚、菲律宾。1946年1月被撤销。
太平洋战场P-61头号王牌卡洛儿·C·史密斯少校少校的座机
因为参战太晚，此时盟军几乎夺取了全部战场的制空权，所以空中出现的敌机数量稀少，在夜间更是如此，所以“黑寡妇”并没有耀眼的战绩。尽管如此，还是出现了几位“黑寡妇”王牌，因为P-61是双座飞机，战绩由飞行员和雷达操作员共享。在欧洲战场上有两个机组获得了6个战绩，他们是飞行员赫尔曼·恩斯特中尉和雷达操作员爱德华·克普泽尔少尉，以及飞行员保罗·A·史密斯中尉和雷达操作员罗伯特·E·蒂尔尼中尉，都来自第422夜间战斗机中队，每组乘员的战绩中都包含一枚V-1。在太平洋战场的顶尖“黑寡妇”机组是来自第418中队的飞行员卡洛儿·C·史密斯少校和雷达操作员菲利普·B·波特中尉，击落了5架日机。
来自第422中队的王牌飞行员保罗·A·史密斯中尉，机身侧面除了6个空战战绩外，还有5个火车头
战后的命运
战后随着陆航致力于喷气式全天候/夜间战斗机的研发，“黑寡妇”服役时间也屈指可数了。一开始寇蒂斯P-87被定为“黑寡妇”的喷气式后继机，但因为项目失败，“黑寡妇”又坚持服役了几年。1948年初F-82F“双野马”开始取代“黑寡妇”，到950年初P-61开始退出一线部队，1950年5月一线部队的最后一架“黑寡妇”从日本撤离，此时距朝鲜战争爆发仅几个月，P-61错过了第二场战争。
F-82F“双野马”成为P-61的后继机，雷达安装在中间的吊舱内
战后美国陆航/美国空军的P-61/F-61部队
第2战斗机中队（全天候），1946年11月在德国以第416夜间战斗机中队的装备和人员组建，1947年6月撤回美国，1948年换装F-82“双野马”。
第4全天候中队，1948年8月在冲绳以第418夜间战斗机中队的装备和人员组建，1948年换装F-82G。
第5战斗机中队（全天候），1946年11月在德国以第417夜间战斗机中队的装备和人员组建，隶属第52战斗机大队，1948年6月撤回美国，年底换装F-82。
第68全天候中队，1948年8月在日本以第421夜间战斗机中队的装备和人员组建，之后立即换装F-82。
第317战斗机中队，最初装备P-47和P-51被部署在地中海和欧洲战场，1945年10月被撤销，1947年5月被重建为全天候战斗机中队，1947年末装备P-61，1948年末换装F-82。
第319全天候中队，1947年9月在巴拿马以第414夜间战斗机中队的装备和人员组建，1949年5月撤回美国并换装F-82。
第339全天候中队，1947年2月在日本以第6夜间战斗机中队的装备和人员组建，不久后换装F-82。
美国海军在二战中使用P-61B-1-NO 42-39458在马里兰州帕塔克森河试飞中心进行了一系列的测试。还用P-61A-10-NO 42-39395进行了弹射起飞测试，以评估该机是否适合上舰。但正如前文所述，海军的F2T最终还是岸基夜间战斗机。
战后不久海军又从陆航借得两架P-61C（43-8336和43-8347），用于进行马丁PTV-N-2U“戈耳工IV”冲压动力导弹的空射实验。1947年11月14日“黑寡妇”实施了首次“戈耳工”导弹的试射。P-61C可在翼下挂载两枚“戈耳工”，在发射前“黑寡妇”要先进行了浅俯冲以达到冲压发动机的启动速度。1948年这两架P-61C归还美国空军，不久后被弃至飞机坟场。
挂载PTV-N-2U“戈耳工IV”导弹的P-61C 43-8336发射“戈耳工IV”导弹