В августе 1940 года шесть предсерийных самолетов D3A1 перебазировали на борт авианосцев «Kara» и «Акаги». Там машины проходили оценочные испытания. Результат испытаний был положительный. Еще около двух десятков машин направили в Китай и Французский Индокитай для испытаний в боевой обстановке. Фронтовые пилоты, особенно те, кто воевал в Китае, дали самолету превосходную характеристику. Новые самолеты начали поступать в боевые части в октябре-ноябре 1940 года. Всего на заводе Aichi с декабря 1939 по август 1942 года построили 470 самолетов D3A1, плюс, упомянутые выше, шесть предсерийных машин. Американцы, столкнувшись с этим самолетом, присвоили ему кодовое обозначение «Val».
Едва началось серийное производство самолета, как конструкторский коллектив Гоаке начал работы над новой модификацией машины. В июне 1942 года результатом работы стал самолет D3A2 Model 12. На самолет установили новый, значительно более мощный двигатель Mitsubishi «Kinsei» 54 мощностью 1300 л.с. Однако командование морской авиации отклонило этот проект. Действительно, от своего предшественника новый самолет отличался только двигателем. При этом его характеристики немного улучшились, но все принципиальные недостатки остались прежними. Если с недостатками D3A1 мирились, так как он вполне справлялся с ролью палубного пикирующего бомбардировщика, то D3A2 предназначался к действиям с сухопутных аэродромов, и недостатки ему не прощались. Учтя критику, Гоаке предложил командованию морской авиацией новый самолет — D3A2 Model 22. Этот самолет, кроме нового 1300-сильного двигателя, получил дополнительный топливный бак емкостью 79 л. Бак находился в фюзеляже, при этом суммарная емкость топливных баков составила 1079 л. Внешне новая модификация отличалась от D3A1 формой капота двигателя, наличием кока винта, а также удлиненной задней частью фонаря. На этот раз командование морской авиацией согласилось принять новый самолет на вооружение. Однако, машина, по-прежнему, имела множество недостатков. Во-первых, у самолета отсутствовали самогерметизирующиеся топливные баки, что было недостатком многих японских самолетов. Во-вторых, отсутствовала бронезащита кабины и других важнейших мест самолета. За счет этих «упрощений» выигрывалось порядка 40 км/ч максимальной скорости. Новый, более мощный двигатель отличался повышенным расходом топлива, что на 111 км сократило и без того не слишком большую дальность полета. К тому времени, когда новая модификация самолета начала поступать в боевые части, она уже успела безнадежно устареть.