Пулеметы начали поступать в войска в 1940 г., всего за этот год Ковровский завод № 2 выпустил 566 ДШК, а в первом полугодии 1941 г. — 234 (всего в течении 1941 г. поступило около 1600 ДШК при плане 4000). Всего же на 22 июня 1941 г. в частях РККА имелось около 2200 крупнокалиберных пулеметов.
С первых дней войны ДШК неплохо зарекомендовал себя в качестве зенитного средства. Так, 14 июля 1941 г. на Западном фронте взвод из трех пулеметов в районе Ярцево сбил три немецких бомбардировщика, а в августе под Ленинградом 2-й зенитный пулеметный батальон в районе Красногвардейского сбил 33 самолета противника. Количество 12,7-мм пулеметных установок было явно недостаточно в условиях превосходства противника в воздухе — на 10 сентября 1941 г. их имелось 394: в Московской зоне ПВО — 112, Харьковской — 66, Орловской — 9, на Карельском фронте — 13, Северо-Западном — 37, Западном — 27, Юго-Западном — 72, Южном — 58.
С июня 1942 г. в штат армейского зенитно-артиллерийского полка входила рота ДШК, имевшая восемь пулеметов, а с февраля 1943 г. — 16. Формировавшиеся с ноября 1942 г. зенитные артиллерийские дивизии (зенад) РВГК имели по одной такой же роте в каждом полку малокалиберной зенитной артиллерии. Правда, с весны 1943 г. количество ДШК в зенад уменьшилось с 80 до 52, а по обновленному весной 1944 г. штату, зенад имела 88 орудий и 48 ДШК. В 1943 г. в состав танковых, механизированных и кавалерийских корпусов ввели полки МЗА (16 пушек и 16 ДШК).
Зенитные ДШК обычно использовали повзводно, нередко вводили в состав зенитных батарей среднего калибра для прикрытия их от атак с малых высот. В начале 1944 г. зенитно-пулеметные роты по 18 ДШК ввели в штат некоторых стрелковых дивизий. Потери крупнокалиберных пулеметов за всю войну составили около 10000 штук, т. е. 21 % от всего ресурса. Из всей системы стрелкового вооружения это был наименьший процент потерь, но он сопоставим с потерями зенитной артиллерии. Это уже говорит о месте и роли крупнокалиберных пулеметов.
В 1941 г. с подходом германских войск к Москве были определены заводы-дублеры на случай прекращения выпуска вооружений заводом № 2. Производство ДШК поставили в г. Куйбышеве, куда из Коврова передали 555 станков и приспособлений. В результате в ходе войны шло основное производство в Коврове и «дублирующее» в Куйбышеве.
Кроме станковых, использовались и самоходные установки с ДШК — в основном грузовики ГАЗ-АА или пикапы М-1 с установленными в кузове ДШК на станке в зенитном положении. «Зенитные» легкие танки на шасси Т-60 и Т-70 остались опытными, как и комплексированные установки (хотя строенные 12,7-мм зенитные установки нашли ограниченное применение — например, послужили в ПВО Москвы). Неудачи установок были связаны, прежде всего, с системой питания, не позволявшей менять направление подачи ленты. Зато Красная Армия не без успеха использовала 12,7-мм счетверенные американские установки типа М-17 на основе М2НВ «Браунинг».
«Противотанковая» роль ДШК, получившего прозвище «Душка», была незначительной и ограничивалась борьбой с легкими бронемашинами. Зато он стал танковым — был основным вооружением плавающего танка Т-40, легкого бронеавтомобиля БА-64Д, в 1944 г. 12,7-мм турельная зенитная установка появилась на тяжелом танке ИС-2, затем на тяжелых САУ. ДШК на тумбах или треногах вооружались зенитные бронепоезда (в войсках ПВО их во время войны действовало до 200). ДШК со сложенным станком и щитом мог сбрасываться десантам или партизанам в парашютно-десантном мешке УПД-ММ.