Chiếc H6K được đưa vào hoạt động từ tháng 1 năm 1938, trước tiên là trong Chiến tranh Trung-Nhật, và được sử dụng rộng rãi khi chiến tranh diễn ra trên diện rộng tại Thái Bình Dương. Nó có thời gian bay trên không xuất sắc, có khả năng tuần tra đến 24 giờ, và còn được sử dụng trong các vụ tấn công tầm xa tận Rabaul và Đông Ấn thuộc Hà Lan.

Chiếc máy bay nhanh chóng trở nên mong manh khi các thế hệ máy bay tiêm kích mới xuất hiện, nhưng nó tiếp tục được sử dụng cho đến hết chiến tranh tại các khu vực mà nguy cơ bị đánh chặn thấp. Trong hoạt động tại tuyến đầu, nó được thay thế bởi chiếc Kawanishi H8K.