ISU-152 được trưng bày tại Kubinka, Nga

Trong chiến đấu ISU-152 thực thi ba vai trò: pháo công kích hạng nặng, pháo tự hành chống tăng hạng nặng và pháo tự hành hạng nặng. Khẩu pháo 152,4 ly sử dụng những loại đạn (gồm thuốc phóng và đầu đạn) có sức công phá mạnh, trong số đó có loại đạn nổ nặng đến 43,56 kg và đạn xuyên giáp nặng 48,78 kg; loại đạn lõi cứng tầm xa 53-G-545 (53-Г-545) là nặng nhất với khối lượng đầu đạn 56 kg. ISU-152 được dùng để hỗ trợ cho bộ binh, xe tăng và dùng để phá hủy các công sự địch bằng những loạt bắn trực tiếp; dùng trong vai trò trợ chiến với cách bắn gián tiếp; và dùng đế chống tăng bằng loạt bắn trực tiếp.

Pháo công kích hạng nặng

Trong vai trò này, ISU-152 là một vũ khí quý giá của Hồng quân Xô Viết trong các trận đánh trên đường phố như trận Berlin, trận Budapest và trận Königsberg. Giáp trụ tốt của ISU-152 đã cung cấp sự bảo vệ tốt cho khu vực xung quanh khẩu pháo chính trước các loại pháo chống tăng Đức, điều này cho phép nó tiến gần hơn vào trận địa và tiêu diệt quân địch bằng những loạt bắn trực tiếp - sức nổ của loại đạn HE (nổ mạnh)có khả năng đập nát ngay cả những công sự mạnh nhất của kẻ thù. Đối với các loại pháo kéo việc bắn phá như vậy rõ ràng là nguy hiểm hơn và kém hiệu quả hơn vì độ cơ động thấp và khẩu đội dễ bị tổn thương trước hỏa lực địch, đồng thời các loại tăng vì hỏa lực kém hơn cũng không thích hợp bằng ISU-152 trong vai trò này. Trong vai trò hỗ trợ xe tăng, chiến thuật thông thường của Hồng quân Xô Viết là bố trí ISU-152 ở tuyến sau, cách các xe tăng trong lực lượng xung kích (thường là các loại tăng IS có độ cơ động tương đương) chừng 100-200 mét.

Giống như SU-152 và ISU-122, ISU-152 được phiên chế trong các Trung đoàn Pháo tự hành hạng nặng Độc lập. Từ tháng 5 năm 1943 đến năm 1945, 53 trung đoàn như vậy đã được thành lập. Một phần trong số đó có nguồn gốc từ các trung đoàn xe tăng được tái tổ chức, và sử dụng chiến thuật bắn phá trực tiếp mục tiêu giống như các xe tăng hay làm khi hỗ trợ bộ binh. Mỗi trung đoàn có 21 pháo tự hành, được chia làm 4 tiểu đoàn, mỗi tiểu đoàn 5 khẩu, 1 khẩu pháo còn lại thì dành cho chỉ huy. Phần hậu cần của các trung đoàn được lo bởi một đội ngũ binh sĩ sử dụng các xe cơ giới không bọc giáp bao gồm xe tải, xe jeep và xe gắn máy hai bánh. Vào tháng 12 năm 1944, các Lữ đoàn Pháo tự hành Cận vệ hạng nặng được thành lập với nhiệm vụ hỗ trợ cho các Tập đoàn quân xe tăng. Chúng được tổ chức theo mô hình của các lữ đoàn xe tăng với biên chế 65 khẩu ISU-152 hay ISU-122.

Để giảm thiểu khả năng bị tổn thương bởi lính chống tăng Đức trang bị Panzerfaust trong các trận chiến đường phố, các khẩu đội ISU-152 thường chiến đấu theo đội hình từ 1-2 cụm tác chiến bên cạnh các đơn vị bộ binh bảo vệ chúng. Trong các đơn vị bộ binh sẽ có một người lính bắn tỉa (hoặc ít nhất là một xạ thủ giỏi), vài binh sĩ sử dụng súng tiểu liên hạng nhẹ và đôi khi là một người lính dùng súng phun lửa. Khẩu súng máy DShK của ISU-152 cũng rất hữu dụng trong việc bắn hạ lính chống tăng Đức núp trên các tầng cao của những tòa nhà cao tầng hay núp sau các vật cản. Sự phối hợp nhịp nhàng giữa bộ binh và các pháo thủ sẽ giúp Hồng quân hoàn thành nhiệm vụ với tổn thất rất nhỏ; còn nếu ngược lại, các khẩu ISU-152 với lớp giáp yếu hơn ở nóc và sau lưng sẽ trở thành mồi ngon cho súng chống tăng Đức.

Pháo tự hành chống tăng hạng nặng

ISU-152 có thể đóng vai trò một pháo tự hành chống tăng hạng nặng hiệu quả trong tác chiến. Mặc dù nó không được thiết kế cho mục đích chống tăng, khả năng hạ gục các xe bọc thép mạnh nhất của Đức (các xe tăng Con báo, Con hổ, Con hổ II, các pháo tự hành Elefant, Jagdtiger) chỉ với 1 phát bắn đã khiến nó kế thừa biệt hiệu Zveroboy ("kẻ giết thú") từ tiền nhiệm SU-152 của nó.

Khối lượng lớn của viên đạn 152,4 ly khiến tốc độ nạp đạn trở nên rất chậm: chỉ từ 2-3 viên/phút; đồng thời độ chính xác của nó tại tầm xa không thể nào bì được với các loại pháo chống tăng nòng dài bắn đạn sơ tốc cao. Tuy nhiên, sức nổ kinh khủng của loại đạn này có thể thổi bay tháp pháo của một chiếc xe tăng Con hổ. Đôi khi "nạn nhân" xấu số không bị phá hủy hoàn toàn và có thể được sửa chữa lại, tuy nhiên sức phá kinh hồn của viên đạn đủ để gây ra hư hại đáng kể cho kết cấu bên trong của xe và gây ra thương vong cho tổ lái do các mảnh văng của vỏ giáp và sự rò rỉ nhiên liệu trong các khoang chứa. Ít có binh sĩ nào trong xe bọc thép có hy vọng sống sót nếu chiếc xe đó ăn phải một phát đạn của ISU-152.

Sau Trận Vòng cung Kursk, để phục vụ cho việc chống tăng, một loại đạn xuyên giáp với khối lượng còn lớn hơn đã được phát triển với mục đích tăng khả năng chống tăng cho ISU-152. Tuy nhiên, loại đạn này có chi phí cao, số lượng ít và hiệu quả chống tăng hơn không đáng kể so với loại đạn nổ; bản thân kết cấu của khẩu pháo của ISU-152 đã đánh đổi sơ tốc và độ chính xác để lấy tầm bắn xa và khối lượng, nó cũng không được thiết kế để cạnh tranh với các pháo chống tăng thực thụ. Đôi khi loại đạn xuyên giáp lõi cứng cũng được sử dụng cho các nhiệm vụ chống tăng. Một loại đạn lượng nổ lõm sơ khai với đầu đạn nặng 27,44 kg cũng được phát triển. Khả năng xuyên giáp của nó đạt 250 ly giáp thép cán đồng nhất đặt theo phương vuông góc với mặt đất. Loại đạn này chưa được sử dụng trong cuộc chiến tranh vệ quốc vĩ đại.

Giáp trước của ISU-152 dày đến 90 ly và được làm vát nghiêng 30 độ, so với độ dày của tiền bối SU-152 là 75 ly. Ngoài ra, vùng khiên chắn quanh nòng pháo được làm hình bán cầu dày 125mm (cộng thêm lớp thép lót đằng sau thì sẽ dày tổng cộng 200mm). Vì thế ISU-152 được bảo vệ rất tốt trước các khẩu pháo KwK-40 75 ly của xe tăng Panzer IV và pháo tự hành StuG-3, những loại xe hạng trung này không thể hạ được ISU-152 trừ phi bắn ở khoảng cách gần hoặc tìm được cách bắn vào bên hông. Các loại xe tăng hạng nặng như Tiger I với khẩu KwK-36 88mm L/56 mạnh hơn cũng không thể xuyên thủng vùng giáp trước có khiên chắn của ISU-152, hoặc phải giảm khoảng cách bắn xuống khoảng 1.000 mét để có thể xuyên được vùng giáp trước không có khiên chắn. Như vậy ưu thế về tầm bắn của nó đã bị hóa giải và việc giảm khoảng cách bắn cũng khiến cạnh sườn của Tiger dễ bị tổn thương trước các khẩu ZiS-S-53 85 ly của T-34-85.

Thật ra ISU-152 không phải là một pháo tự hành chống tăng đích thực. Nó có tốc độ bắn rất chậm nếu so với các pháo tự hành chống tăng như Jagdpanther của Đức và SU-100 của Liên Xô (có thể bắn đến 5-8 phát trong một phút). Tuy nhiên, trước khi SU-100 ra đời vào cuối năm 1944 thì ISU-152 là loại pháo tự hành duy nhất của Liên Xố có khả năng hạ gục các xe tăng hạng nặng của Đức một cách hiệu quả; đồng thời sự đa vai trò của nó đồng nghĩa với việc ISU-152 được sản xuất với số lượng lớn hơn SU-100 rất nhiều. Được ngụy trang tốt, nhanh chóng thay đổi vị trí bắn và tổ chức mai phục với nhiều chiếc cùng bắn vào một mục tiêu sẽ giảm thiểu nhược điểm tốc độ bắn chậm của ISU-152. Với các chiến thuật nêu trên, ISU-152 nhanh chóng trở thành nỗi sợ hãi của các đơn vị xe tăng hạng nặng của Đức, làm thay đổi quan điểm của phát xít Đức về các lực lượng tăng thiết giáp Liên Xô và buộc người Đức phải sử dụng các lực lượng xe tăng một cách dè dặt, thận trọng hơn.

Ngay cả pháo 88mm L/71 của xe tăng hạng nặng Đức Tiger II cũng không thể công phá được vùng giáp trước có khiên chắn của ISU-152 ở cự ly gần, trong khi một phát bắn trúng đích của ISU-152 có thể loại khỏi vòng chiến bất cứ xe tăng địch nào. Hermann Bix, một Aces xe tăng của Đức, kể lại trận đấu giữa một đơn vị pháo tự hành chống tăng hạng nặng Jagdpanther với duy nhất 1 chiếc ISU-152 đơn độc:

...Tổ lái của Bix bắn viên thứ hai rồi viên thứ ba ở cự ly 400 mét, nhưng khẩu pháo địch không hề hấn gì. Quân Nga khai hỏa. Viên thứ nhất nổ trên mặt đất cách chiếc Jagdpanther chừng 3 mét. Khói và lửa tràn vào buồng lái, tổ lái của Bix mất khả năng bắn trả.Viên thứ hai từ khẩu pháo tự hành chống tăng khổng lồ của Nga bay vèo qua nắp xe vài mét, đến viên thứ ba trúng đích. Bix thấy bệ chống giật của khẩu pháo chính dựng ngược về phía sau. Rồi anh ta cảm thấy sự chấn động của tiếng nổ. Tiếng nổ kinh khủng của sự va chạm làm anh ta điếc nặng. Người xạ thủ báo cáo là anh ta không thể thấy gì vì khe nhìn đã bị vỡ.Bix cố mở khoá nòng pháo chính để ngắm qua đó. Nhưng anh ta nhận ra là bệ chống giật bị vỡ lên chỗ viền tháp pháo ngay lớp giáp phía trong. Rồi anh ta biết rằng tấm chắn của pháo đã bị bắn tung ra khỏi rãnh, sự chấm dứt đã đứng kề bên họ.Thiếu úy Pintelmann, đang ở trong vịnh, vừa chạy đến ngay lúc thấy Bix đang lùi. Khẩu pháo to lớn lại khạc lửa. Chiếc tăng của viên thiếu úy cũng bị trúng đạn ở khiên chắn súng và bị hư hỏng. Anh ta phải ra lệnh rút lui. May mắn là chiếc Jagdpanther thứ 3 đến nơi, anh ta thấy toàn bộ hông của chiếc pháo tấn công hạng nặng mới nhất của Nga ở trong ống ngắm. Anh ta bắn 2 viên xuyên thép vào sườn của nó. Tổ lái Nga leo ra và đầu hàng.Sau trận đấu, người ra thấy 3 viên đạn của Bix trúng vào trung tâm của vòng đai khẩu pháo Nga và xuyên vào 10 cm. Nhưng không xuyên thủng được lớp giáp nghiêng dày 20cm.

Lính xe tăng Liên Xô Dmitri Loza kể lại ấn tượng về một phát bắn trúng đích của ISU-152:

Khi chúng tôi tiến vào Vienna, người ta bố trí thêm cho chúng tôi một khẩu đội ISU-152 hạng nặng, gồm ba chiếc... Bọn Đức phản công bằng nhiều chiếc Panther. Panther là một loại tăng hạng nặng. Tôi ra lệnh đưa một chiếc ISU lên phía trước để chọi với đám tăng Đức. Và chúng ta gặp nhau trên đường. Chiếc ISU nã đạn và sức nổ tống chiếc Panther bật lùi về phía sau (bắn từ khoảng cách 400-500 mét).Tháp pháo của nó bật tung khỏi thân xe rồi rơi xuống cách đó vài mét.

Pháo tự hành hạng nặng

Đôi khi ISU-152 được sử dụng với vai trò hỗ trợ và bắn chuẩn bị trên chiến trường, mặc dù chúng chỉ có tầm bắn trung bình cũng như tốc độ nạp đạn chậm. Thật ra Hồng quân Xô Viết chưa kịp phát triển loại thiết giáp hay pháo tự hành nào có chức năng như vậy, nhưng các pháo kéo của họ tỏ ra dễ bị thương tổn khi di chuyển cũng như khó có thể hỗ trợ xe tăng và bộ binh cơ giới kịp thời trong các đợt tiến công chớp nhoáng, nhất là khi chúng không được trang bị lớp vỏ giáp che đỡ toàn diện như ISU-152.

ISU-152 cũng mang trong mình nhiều nhược điểm, trong đó điều đáng kể nhất là cơ số đạn mang theo rất giới hạn (chỉ từ 20-21 viên, cơ số đạn phụ thêm có thể được kéo ở phía sau xe). Kích thước và cân nặng kinh khủng của viên đạn khiến việc đưa 20 viên đạn vào xe cũng ngốn tới 40 phút và đòi hỏi một người nạp đạn rất khỏe. Việc chuyển đổi thiết bị ngắm quang học ST-10 dùng cho việc bắn trực tiếp (tầm nhìn 900 mét) sang thiết bị nhắm toàn cảnh dùng cho việc bắn gián tiếp (tầm nhìn 3.500 mét) tỏ ra khá phiền toái cho người xạ thủ. Để bù đắp cho việc này, Hồng quân chỉ đơn giản cho nhiều pháo tự hành cùng nã vào một mục tiêu, đánh đổi sự chính xác bằng hỏa lực kinh hoàng. Sức nổ của loại đạn HE của ISU-152 dư sức thổi bay một xe thiết giáp hạng nặng thời đó, và đối với công sự kiên cố thì đã có đạn xuyên bê tông cốt thép hạng nặng bắn tầm xa để xử lý. Bình thường, một pháo tự hành ISU-152 mang theo 13 viên đạn HE và 7 viên đạn xuyên giáp/xuyên bê tông.

Tên đạn	Loại đạn	Kiểu đạn	Cân nặng	Mức xuyên phá tối đa	(1000 mét)	(1500 mét)	(2000 mét)
53-OF-540 (vẫn còn sử dụng)	Đạn nổ mạnh tầm xa	Đạn thép dùng cho đại bác	43,56 kg
53-OF-530	Đạn nổ mạnh tầm xa	Đạn thép dùng cho lựu pháo	40 kg
53-BR-540	Đạn xuyên giáp	Đạn mũi nhọn (không có đầu hình dáng đạn đạo học)	48,78 kg	125 ly giáp thép cán đồng nhất ở phương vuông góc (tại 500 mét)	115 ly (123 ly)	105 ly	90;ly
53-BR-540B (sử dụng từ cuối năm 1944)	Đạn xuyên giáp	Đạn mũi phẳng (có đầu hình dáng đạn đạo học)	46,5 kg	130 ly giáp thép cán đồng nhất ở phương vuông góc (tại 500 mét)	120 ly	115 ly	105 ly
53-BP-540 (không sử dụng trong chiến tranh vệ quốc)	Đạn xuyên giáp	Đầu nổ lõm (hình phễu)	27,44 kg	250 ly giáp thép cán đồng nhất ở phương vuông góc (220 ly tại phương 30° so với chiều đứng) (120 ly tại phương 60° so với chiều đứng)
(dành cho thủy binh, mẫu 1915/1928)	Đạn bán xuyên giáp		51,07 kg	136 ly giáp thép cán đồng nhất ở phương vuông góc (tại 100 mét) (128 ly tại 500 mét)	119 ly	111 ly	105 ly
53-G-530	Đạn xuyên bê tông tầm xa	Đạn lựu pháo	40 kg	1 mét bê tông gia cố
53-G-545	Đạn xuyên bê tông tầm xa	Đạn đại bác	56 kg

Mức độ xuyên giáp có thể thay đổi tùy theo loại đạn hay tùy theo loại giáp thép cán đồng nhất.

Sau khi cuộc chiến tranh vệ quốc vĩ đại kết thúc, ISU-152 được sử dụng với vai trò chủ yếu là súng công kích. Cho đến cuối thập niên 1950, Hồng quân Xô Viết đã phát triển loại đạn hạt nhân 152,4 ly có thể được ISU-152 sử dụng với tư cách là một pháo tự hành hạng nặng, tuy nhiên độ dốc nghiêng thấp cũng như tầm bắn hạn chế của ISU-152 khiến nó trở nên dễ bị tổn thương trong tác chuến. Hồng quân đã thử giải quyết vấn đề này bằng cách phát triển một loại đạn tích hợp động cơ tên lửa, tuy nhiên giải pháp này đã bị hủy bỏ khi một kiểu pháo tự hành mới mang tên SO-152 (СО-152) ra đời năm 1968. Sau khi quân đội Liên Xô tiếp nhận SO-152, vai trò cuối cùng của ISU-152 - pháo tự hành hạt nhân - cũng chính thức chấm dứt.