Bài hát lần đầu tiên được phát hành rộng rãi thông qua Đài Tiếng nói Việt Nam với sự trình bày của ca sĩ, Nghệ sĩ ưu tú Phan Huấn.[9][10] Tuy nhiên, có một sự cố nhỏ đã xảy ra trước khi ca sĩ Phan Huấn bắt đầu thu âm. Vì câu đầu tiên của bài hát với nội dung "Rất dài và rất xa, là những ngày thương nhớ" bị nhận xét là không phù hợp với bối cảnh cuộc chiến tranh Việt Nam đang diễn ra, dễ làm nản lòng những người lính, nên đã có người khuyên nhạc sĩ Phan Huỳnh Điểu bỏ câu này đi; nhạc sĩ đành chấp nhận. Điều này đã dẫn đến việc bản ghi âm và phát hành đầu tiên của ca sĩ Phan Huấn đã sử dụng "Hờ hờ hờ hớ hơ, là những ngày thương nhớ" để thay thế. Mãi đến sau khi Việt Nam tái thống nhất vào năm 1975, lời bài hát mới được phục hồi nguyên trạng.[11]

Là một bản hành khúc đậm chất trữ tình,[12] "Hành khúc ngày và đêm" đã được đưa vào album "Những bản tình ca đỏ" của Nghệ sĩ ưu tú Quốc Hưng.[13] Ngoài ra, bài hát còn từng được trình bày bởi nhiều ca sĩ khác như Trọng Tấn,[14] Vũ Thắng Lợi,[15] hay Nghệ sĩ Nhân dân như Trần Hiếu,[16] Tường Vi,[17] Vũ Dậu.[18][19][20] Không chỉ được các nghệ sĩ gạo cội biểu diễn, "Hành khúc ngày và đêm" còn được giới trẻ chọn để trình bày theo phong cách mới trong nhiều chương trình âm nhạc.[21] Đến nay, hành khúc này vẫn là một trong những tác phẩm nhạc đỏ bất hủ của âm nhạc Việt Nam,[22][23] thường xuyên xuất hiện trong các chương trình nghệ thuật về Quân đội nhân dân Việt Nam.[24][25][26][27]