BTR-152 bắt đầu hoạt động trong quân đội Liên Xô từ ngày 24 tháng 3 năm 1950 và công khai xuất hiện trong 1 cuộc diễu hành tại Moskva năm 1951. Nó được loại bỏ dần bằng những chiếc BTR-60 bắt đầu từ năm 1970. Nó còn hoạt động trong quân đội Xô Viết và sau đó là quân đội Nga đến năm 1993 trong cả các mục đích dân sự lẫn quân sự. BTR-152 được xuất khẩu đến những nước châu Phi và các đồng minh xã hội chủ nghĩa của Liên Xô cũ và hiện nay vẫn còn hoạt động tại nhiều nước.

BTR-152 được sử dụng trong cuộc Cách mạng Hungary 1956. Sau đó là ở Cuộc chiến 6 ngày. Tại đây, Israel đã thu giữ hàng chục chiếc BTR-152 của Ai Cập và Syria. Nó cũng xuất hiện trong Cuộc xâm lược Tiệp Khắc năm 1968 và Chiến tranh Việt Nam. Quân đội Nhân dân Việt Nam đã sử dụng BTR-152 là chiếc xe bọc thép chở quân chính trong thời kỳ chiến tranh.