M24 Chaffee được thiết kế ra nhằm thay thế tăng hạng nhẹ M5 đang được dùng để hỗ trợ bộ binh. Ba mươi tư chiếc M24 đầu tiên được vận chuyển đến Châu Âu vào tháng 11 năm 1944 đã được giao cho Trung đoàn Kỵ binh cơ giới số 2 tại Pháp. Nó được biên chế vào các Đại đội F của Tiểu đoàn kỵ binh trinh sát số 2 và số 42. Trong trận Bulge vào tháng 12 năm 1944, những đơn vị này được chuyển đến khu vực Nam, hai chiếc M24 được phối thuộc trong Tiểu đoàn tăng 740, thuộc Tập đoàn quân số 1, Hoa Kỳ.

Tuy bắt đầu tham chiến trên diện rộng vào tháng 12 năm 1944, tuy nhiên do hạn chế bởi việc vận chuyển, nên mãi đến gần cuối chiến tranh, M24 mới tiếp cận được chiến tuyến, vì vậy không đóng góp nhiều vào chiến thắng tại Châu Âu. Cho đến lúc đó, rất nhiều đơn vị thiết giáp vẫn phải sử dụng tăng M5 cùng với loại M4 Sherman. Một số còn không nhận được số M24 trang bị cho đến hết chiến tranh.

Dù vậy, những bản báo cáo sử dụng cho thấy M24 được đánh giá khá tốt như bản xích rộng giúp cho xe có độ ổn định cao, hình chiếu thấp giúp cho xe có khả năng ẩn nấp tốt, và đặc biệt với pháo chính 75 mm mang lại hiệu suất cao hơn pháo 37 mm. Với pháo này, tuy M24 không thể đối đầu trực diện với đa phần tăng của Đức Quốc xã, nhưng chúng vẫn có làm vô hiệu hóa khả năng tăng Đức nếu như bắn chính xác vào các điểm yếu. Dù vậy, lớp giáp quá mỏng vẫn bị đánh giá thấp, bởi chúng dễ dàng bị xuyên thủng bởi đa phần các loại pháo tự hành chống tăng, mìn chống tăng và tăng của Đức Quốc xã.

Kíp chiến đấu của tăng M24 tại mặt trận sông Naktong(chiến tranh Triều Tiên);dưới đất là Pfc. Rudolph Dotts, ngồi phía bên trên là binh nhì Maynard Linaweaver và ngồi trên cùng(điều khiển súng máy) là Pfc. Hugh Goodwin.Tất cả số lính và tăng này đều thuộc sư đoàn do thám số 24.

Trong cuộc chiến tranh Triều Tiên, M24 được quân đội Mỹ sử dụng để đối đầu với tăng T-34-85 của quân đội Liên Xô tiếp tế cho Triều Tiên. Tuy nhiên, trong vai trò này, M24 biểu diễn khá tệ hại khi phải đối đầu với những loại tăng có hỏa lực mạnh, lớp giáp bọc kĩ như T-34. Do đó, chúng được chuyển sang vai trò là tăng do thám và đã thực hiện công việc này rất tốt. Ngoài ra, chúng còn được phân nhiệm vụ bổ trợ các loại tăng khác như M4, M26 và M46.

Xe tăng M24 của quân Pháp trong trận Điện Biên Phủ

Như những mẫu tăng thành công khác trong Thế chiến II, M24 được chuyển đến rất nhiều nước trên thế giới và được sử dụng bởi khá nhiều quân đội, cho đến khi được thay thế dần bởi loại tăng M41 Walker Bulldog. Quân Pháp từng sử dụng M24 trong các chiến dịch càn quét tại Đông Dương và cho kết quả rất tốt. Vào tháng 12 năm 1953, 10 chiếc M24 được huy động tham gia chiến dịch Điện Biên Phủ. Hầu hết trong số chúng bị phá hủy, một số ít bị Quân đội Nhân dân Việt Nam chiếm làm chiến lợi phẩm sau khi họ giành thắng lợi. Rất nhiều tăng M24 của quân đội Pháp tại Đông Dương được chuyển giao cho Quân đội Quốc gia Việt Nam, về sau được Quân đội Việt Nam Cộng hòa sử dụng cho đến khi được người Mỹ viện trợ cho loại tăng M41 Walker Bulldog thay thế.

M24 còn được người Pháp sử dụng tại chiến trường Algeria. Lần cuối cùng M24 được thấy tham chiến trong cuộc chiến tranh Ấn Độ - Pakistan năm 1971, trên chiến trường Bangladesh hơn 66 chiếc M24 trấn thủ khu vực và đối đầu với các loại tăng mạnh hơn như T-55, PT-76 và một nhóm lính chống tăng của Quân đội Ấn Độ. Dù sau đó, mặc dù cả Iran và Iraq đều có M24 nhưng không có bằng chứng nào chứng tỏ là từng có sự tham gia của M24 trong cuộc chiến tranh Iran-Iraq.

Hiện tại, M24 vẫn được sử dụng tại quân đội nhiều nước như là tăng trinh sát hạng nhẹ. Thậm chí, Na Uy đã cải tiến thêm bằng cách thay động cơ diesel 6V-53, 2 kì, công suất 153,3 kw (210 cv), lắp pháo 90 mm của Pháp và thiết bị nhìn đêm.