Звено самолетов К-37 (Гу-37) с пушкой Ш-37 впервые использовалось в боях на московском направлении в октябре 1941 г. в составе 43-й авиадивизии. Тогда мощное вооружение этих машин не удалось использовать в полной мере из-за многочисленных конструктивных и производственных дефектов пушечной установки. Тем не менее, конструктор пушки Шпитальный посчитал, что применение нового оружия прошло успешно, и доложил Сталину об уничтожении пяти средних танков. Однако он промолчал, что в этом же месяце звено фактически перестало существовать - все его истребители были выведены из строя.
Более совершенные ЛаГГ-3 с 37-мм пушками Ш-37, выпущенные заводом № 21 в 1941 - 1942 гг., поступили в 42-й иап подполковника Ф.И. Шинкаренко (с 9 октября 1942 г. этот полк стал 133-м гвардейским), который в марте 1942 г. начал их войсковые испытания на Брянском фронте.
"Первое испытание в бою, - вспоминал Шинкаренко, - прошло вне предусмотренной программы. Когда мы еще только готовились начать боевую работу, над аэродромом появилось несколько фашистских бомбардировщиков.
Два звена "ЛаГГов" в воздушном бою сбили из пушек три самолета противника. Летчики... восторженно отзывались о пушке, снаряды которой оставляли большие пробоины в плоскостях и фюзеляже вражеских бомбардировщиков. Однако, несмотря на тренировки, некоторые летчики в первой же атаке израсходовали все патроны. Выяснилось также, что при ведении огня из пушки длинными очередями "ЛаГГ" терял скорость. Подобное мы замечали и рань-ше, когда тренировались в стрельбе по наземным целям, но в бою это проявилось особенно отчетливо".
Противник, узнав о появлении на фронте столь мощного оружия, буквально начал охоту за самолетами полка. В результате испытания пришлось прервать. В мае 42-й иап направили на Западный фронт, подчинив 202-й иад полковника Б.И. Янсена. Почти после каждого боевого вылета летчики докладывали о сбитых немецких самолетах. По свидетельству Шинкаренко, командир эскадрильи капитан М. Горбанев первым в полку сбил бомбардировщик Не 111, причем огонь открыл с дистанции 400 м - это почти в два раза больше, чем ранее практиковалось в боях для надежного поражения воздушных целей. Известно, что только в августе 1942 г. в воздушных боях из 37-мм пушек было сбито 45 вражеских самолетов. Кроме 42-го иап, ЛаГГ-3 с 37-мм пушками был укомплектован и 188-й иап подполковника Г.И. Черепанова.
Войсковые испытания истребителей с пушками НС-37 проходили с 21 апреля по 7 июня 1943 г. на Калининском фронте в составе 1-й воздушной армии. Хотя результаты их были признаны успешными, кроме небольшой партии машин, направленных туда, эта пушка на серийных ЛаГГ-3 не устанавливалась. Позднее НС-37 начали монтировать на истребители Як-9Т и штурмовики Ил-2.
