1957年1月VAH-1的A3D-1开始了首次重要部署，随“福莱斯特”号航母巡航地中海。不过A3D-1只是用于评估大型喷气式飞机在航母上操作可行性的服役测试机，并不具备作战能力。实际此前VAH-1就随“福莱斯特”号进行过一次部署，1956年10月苏伊士运河危机爆发，“福莱斯特”号航母被紧急派往地中海。1956年11月7日VAH-1在梅波特港上舰，A3D-1在大西洋途中获得上舰资格。直到1956年12月12日“福莱斯特”号才返回美国。
1957年9月，在“福莱斯特”号航母号降落时发生事故的A3D-1，机组全灭
1957年舰载中队开始装备A3D-2，VAH-2首先接收该机。A3D-2创造了一系列重要的飞行纪录，1952年3月21日一架A3D-2创造了从西海岸横跨美国大陆耗时5小时12分的速度纪录，以及洛杉矶-纽约-洛杉矶航线9小时31分的速度纪录。6月6日两架“空中武士”从加州海岸旁“好人理查德”号航母上起飞，飞越美国在4小时后降落在佛罗里达州东岸旁的“萨拉托加”号上。最终A3D-1和A3D-2装备13支VAH中队（包括两支补充训练中队）。A3D-2主要担负战略轰炸任务，该机因庞大的机身和独特的外形而赢得的“鲸鱼”的绰号，同时也反映出A3D在拥挤的甲板上移动困难的事实。
1967年“星座”号航母的黑色RA-3B，该机因庞大的机身和独特的外形而赢得的“鲸鱼”的绰号，同时也反映出A3D在拥挤的甲板上移动困难的事实
A3D-2Q专用电子侦察机、A3D-2P照相侦察机和A3D-2T教练机在50年代末陆续服役。1959年VQ-1和VQ-2中队开始装备A3D-2Q/EA-3B，开始了长达30年操作“空中武士”的历史。同年VAP-61、VAP-62和VCP-63开始接收A3D-2P/RA-3B，这几个中队通常部署在岸基基地，偶尔到航母上客串一下。
“空中武士”鼎盛时期，人们站在一架EA-3B上观看庞大的空中编队 1961年1月最后一批283架“空中武士”完成生产。
“空中武士”在50年代末60年代初的冷战危机中担负了重要任务，例如1962年10月的古巴导弹危机。1960年海军开始部署“北极星”弹道导弹潜艇和北美A3J“民团团员”（即A-5）超音速攻击机以后，A3D-2逐步放弃了核威慑任务。1961年VAH-7换装A3J-1，其他7支一线VAH中队也陆续从“空中武士”换装“民团团员”，RVAH-3在1961年~1979年间混合操作A3D-2T/TA-3B和“民团团员”。剩余的VAH中队继续操作“空中武士”直到被解散或者任务变更。
随着1964年越战的升温，“空中武士”重返一线参加了战争。最初的1965~1966年，VAH-2、VAH-4和VAH-8的A3D-2作为常规轰炸机向轻防护目标投掷“铁”炸弹，1967年3月开始执行了布雷任务。但是“空中武士”在越战中执行最多的主要任务是空中加油，美国海军把85架A3D-2改装成KA-3B和EKA-3B空中加油机，这些加油机不仅执行常规加油任务，还经常给那些返航时燃料不足或战损的飞机进行紧急加油，VAH和VAQ的“空中武士”加油机在战争中共挽救了700架次的飞机。
1965年VAH-4中队的A-3B在越南上空投掷MK83炸弹
1972年VAQ-135中队的EKA-3B为F-8J进行空中加油
除此之外，RA-3B侦察机也在北越上空执行了夜间任务，寻找越共的秘密交通线，共有3架VAP-61的RA-3B被击落。VQ-1和VQ-2的EA-3B电子侦察机为舰队提供了关于北越雷达系统的极具价值的情报。
越战中RVAH-13中队KA-3B为RA-5C进行空中加油
越战结束后KA-3B和EKA-3B分别被KA-6D和EA-6B取代，许多KA-3B被移交给海军航空预备役部队，EA-3B继续在海军舰载中队中服役多年。1987年VQ-1的EA-3B被移交给VQ-2，后者的“空中武士”还参加了1991年1月的“沙漠风暴”行动。
“沙漠风暴”行动时EA-3B已经更换了低视涂装 1988年9月30日预备役VAK-308中队的KA-3B在退役，1年后该部队解散。VAK-208的KA-3B一直服役到1989年。
1970年起RA-3B放弃了照相侦察任务，其中许多被改装成ERA-3B“电子入侵者”飞机装备了VAQ-33和VAQ-34中队。这两个中队的任务是为军舰的雷达操作员模拟真实的敌机威胁。这两个中队还装备少量TA-3B和KA-3B，以及至少各一架的EA-3B、EKA-3B和UA-3B。1991年2月VAQ-34的ERA-3B退役后VAQ-33成为最后一支装备“空中武士”的部队。1991年9月30日最后一架“空中武士”从VAQ-33退役。
“空中武士”测试机
在“空中武士”服役之初，一些防务公司看中了“鲸鱼”充裕的空间，要求把该机改装为测试机。威斯汀豪斯公司获得一架RA-3B，雷声也获得一架A-3（BuNo 144843）用于MIM-104“爱国者”地空导弹的研制工作。
万能的A-3攻击机，曾为F-14、F-22、F-111测试过雷达，发射过AIM-54不死鸟导弹。最离谱的是在尾巴上装上雷达，在空中对别的飞机进行雷达截面积测试。
1963年休斯飞机公司获得两架A-3，用于通用动力F-111B舰载战斗机配套的AWG-9雷达系统和AIM-54“不死鸟”导弹的研制项目。为此两架A-3安装了AWG-9雷达并改装了F-111B的雷达罩，并在弹舱内安装了雷达的附属电子系统和冷却系统，后机身增加了辅助燃气涡轮动力单元，导航员座位增加了雷达操作台。
NA-3A（BuNo 135427）试射XAIM-54A，机鼻改装了F-111B的雷达罩
1968年5月F-111B项目被取消后，AWG-9雷达和AIM-54“不死鸟”项目幸存了下来，继续为F-14“雄猫”进行研发。此时休斯获得了第3架A-3，接替了早期的一架。该机（BuNo 144867）编号改为NTA-3B，改装了F-14A的雷达罩，可在翼下挂架挂载一枚“不死鸟”导弹。后来NTA-3B又被用于F-14D的APG-71雷达项目，在研发工作完成后留在了休斯，获得民用注册号N577HA。
安装了F-14雷达罩的NTA-3B（BuNo 144867）
1991年美国海军退役所有A-3后，也停止了向这些公司提供“空中武士”的备件。为了不使“空中武士”测试机停飞，休斯和雷声都建议海军一些退役A-3给他们，以支持研究项目，同时也节省了海军的处置费用。海军很快就同意了这个建议，后来又有两家公司——CTAS和雷鸟航空加入了该计划。
上述4家公司共操作11架“空中武士”，因为已不是军用飞机，所有都有民用注册号。
亚利桑那州图森市雷鸟航空的那架A-3是BuNo 144856，注册号N160TB，具有末端装着一个圆盘形天线的长尾巴。
雷鸟航空的TA-3B N160TB，有一个非常奇怪的尾巴，上面安装了一个圆盘雷达天线，用于对其他飞机进行空中雷达截面积测量
1993年CTAS的那架EA-3B退役，1994年威斯汀豪斯公司的西屋那架A-3也停飞。1996年雷鸟航空倒闭，休斯接收了雷鸟的A-3。1997年12月休斯和雷声合并，所有民用“空中武士”都集中在了雷声，其中一些更换了以字母“RS”结尾的新注册号。
休斯的TA-3B N577HA，安装了F-111A的雷达罩。该机后来的注册号被改为N877RS