Trung úy Peddy và đội bay, cho thấy cần có bao nhiêu người để duy trì một chiếc B-25 bay đượcNhững chiếc B-25B trên tàu sân bay USS Hornet sắp cất cánh trong Trận không kích Doolittle.Một chiếc B-25C đang được tiếp nhiên liệuB-25 trong phi vụ cắt ném bom tầm thấp trên đảo New Guinea

Chiếc B-25 có được tiếng tăm đầu tiên là kiểu máy bay ném bom được dùng trong Trận không kích Doolittle vào tháng 4 năm 1942, trong đó 16 chiếc B-25B do Trung tá huyền thoại Jimmy Doolittle dẫn đầu, cất cánh từ tàu sân bay USS Hornet và ném bom thành công vào Tokyo và bốn thành phố Nhật Bản khác mà không bị thiệt hại nào do Nhật gây ra. Tuy nhiên 15 máy bay bị rơi tại phía Đông Trung Quốc trên đường bay đến các sân bay tiếp nhận. Những thiệt hại này là do hết nhiên liệu, tình trạng bay đêm trong thời tiết giông bảo với tầm nhìn gần như bằng không, cũng như thiếu các thiết bị dẫn đường tại các sân bay tiếp nhận. Chỉ có một chiếc B-25B hạ cánh an toàn xuống Liên Xô, nơi máy bay bị tịch thu và năm thành viên đội bay bị bắt giữ. May mắn là 71 trong tổng số 80 thành viên đội bay Doolittle vẫn còn sống sót sau phi vụ lịch sử này và sau chiến tranh đã quay trở về nước Mỹ.

Theo sau một số cải tiến bổ sung, bao gồm các cửa sổ lắp kính Plexiglas cho hoa tiêu và điện báo viên, vũ khí trước mũi mạnh hơn, và các thiết bị chống đóng băng, phiên bản B-25C được giao cho Lục quân. Đây là kiểu được sản xuất hằng loạt thứ hai của Mitchell, kiểu thứ nhất là B-25B trang bị vũ khí nhẹ được dùng trong vụ không kích Doolittle. Phiên bản B-25C và B-25D tương tự nhau, chỉ khác biệt địa điểm sản xuất. B-25C được chế tạo tại Inglewood, California, trong khi B-25D được chế tạo tại Kansas City, Kansas. Có 3.915 chiếc B-25C và B-25D được chế tạo bởi North American trong Thế Chiến II.

Mặc dù chiếc B-25 được thiết kế ban đầu để ném bom ở độ cao trung bình khi bay ngang, nó thường được sử dụng tại Mặt trận Tây Nam Thái Bình Dương trong các phi vụ càn quét mặt đất ở độ cao thấp và ném bom miểng thả dù (parafrag) chống lại các sân bay của quân Nhật tại Tân Guinea và Philippines. Những chiếc Mitchell trang bị vũ khí nặng, được cải tiến trên chiến trường bởi Thiếu tá Paul Irving "Pappy" Gunn, cũng được dùng trong nhiệm vụ càn quét mặt đất và cắt ném bom các tàu thuyền Nhật đang cố gắng tiếp liệu quân đội trên bộ của họ. Dưới sự lãnh đại của Trung tướng George C. Kenney, B-25 thuộc Không Lực 5 và Không Lực 13 đã phá hủy các mục tiêu Nhật Bản tại Tây Nam Thái Bình Dương từ năm 1942 đến năm 1945, và đóng một vai trò đáng kể trong việc đẩy lùi quân Nhật về chính quốc. B-25 cũng được dùng có hiệu quả hủy diệt tại các mặt trận Trung tâm Thái Bình Dương, Trận đánh quần đảo Aleutian, Bắc Phi, Địa Trung Hải và Trung Hoa-Miến Điện-Ấn Độ.

Vì nhu cầu cấp thiết cần có một kiểu máy bay càn quét các mục tiêu kiên cố trên mặt đất, một phiên bản B-25G được phát triển, trong đó phần mũi kính tiêu chuẩn và thiết bị ném bom được thay bằng mũi cứng ngắn hơn chứa hai khẩu súng máy cỡ nòng 0,50 inch và một khẩu pháo 75 mm M4. Khẩu pháo này là vũ khí có cỡ nòng lớn nhất được trang bị trên một máy bay ném bom Mỹ vào thời đó. Khẩu pháo được nạp đạn bằng tay và hoạt động bởi sĩ quan hoa tiêu, có khả năng làm việc đó mà không cần rời khỏi ghế ngồi ngay sau các phi công. Đó là do mũi máy bay ngắn hơn trên phiên bản G và chiều dài của khẩu pháo M4, cho phép khóa nòng của khẩu pháo kéo dài đến tận khoang ngồi của hoa tiêu. Phiên bản tiếp nối của B-25G, kiểu B-25H, càng có hỏa lực mạnh hơn nữa. Khẩu pháo 75mm là một kiểu T13E1 nhẹ hơn được thiết kế đặc biệt dành riêng cho B-25H. Nó cũng được trang bị bốn súng máy cỡ nòng 0,50 inch bắn ra phía trước gắn trước mũi, bốn súng máy gắn cố định bắn ra phía trước gắn hai bên thân, hai khẩu nữa ở thấp súng bên trên, một khẩu ở hai vị trí giữa thân, và hai khẩu cuối cùng ở vị trí đuôi. Tài liệu quảng bá của công ty khoe khoang rằng chiếc B-25H có thể "khai hỏa mười súng máy khi đến và bốn khi đi, thêm vào khẩu pháo 75mm, một chùm tám rocket và 3.000 cân bom."[1] Khẩu pháo 75mm bắn ra đầu đạn ở vận tốc 720 m/s (2.362 ft/s). Do tốc độ bắn khá chậm (chỉ có bốn quả đạn được bắn ra trong mỗi đợt càn quét) và tương đối không hiệu quả để chống lại mục tiêu trên mặt đất, khẩu pháo 75mm này thường được tháo bỏ trên các kiểu G và H và được cải tiến trên chiến trường thay thế bằng hai súng máy 0,50 inch.[2] Phiên bản B-25H cũng thay đổi cách bố trí buồng lái, tháp súng trên được dịch chuyển ra trước dàng chỗ bố trí súng máy ở giữa thân và sau đuôi, buồng lái được bố trí chỉ còn một hệ thống lái dành cho phi công, còn vị trí của phi công phụ được dành cho hoa tiêu/xạ thủ pháo, còn điện báo viên ngồi ở khoang giữa thân điều khiển các súng máy giữa thân.[3] Có khoảng 1.400 chiếc phiên bản B-25G và B-25H được chế tạo.

Phiên bản cuối cùng của chiếc Mitchell, kiểu B-25J, trông giống những phiên bản B, C và D trước đây, vì quay trở lại sử dụng kiểu mũi dài hơn. Khẩu pháo 75 mm không mấy thành công được loại bỏ trên phiên bản J. Thay vào đó, 800 chiếc của phiên bản này được chế tạo với mũi kín mang tám súng máy 0,50 inch, trong khi những chiếc phiên bản J khác có kiểu mũi "nhà kính" trước đây bố trí chỗ ngồi cho sĩ quan ném bom. Bất kể kiểu mũi máy bay được chế tạo, tất cả máy bay phiên bản J đều có hai súng máy 0,50 inch gắn ngay bên dưới vị trí ngồi của phi công, và hai súng máy tương tự như vậy bên dưới vị trí ngồi của phi công phụ. Phiên bản B-25J mũi kín mang một số lượng ấn tượng tổng cộng là 18 súng máy 0,50 inch: tám trước mũi, bốn bên dưới buồng lái, hai ở tháp súng trên, hai ở giữa thân, và một cặp ở đuôi. Chưa một máy bay ném bom nào khác trong Thế Chiến II mang nhiều súng đến như vậy. Tuy nhiên, 555 chiếc B-25J đầu tiên (khối sản xuất B-25J-1-NC) được giao hàng mà không có các khẩu súng bên dưới buồng lái, vì khám phá ra rằng lửa nòng súng phát ra bởi các khẩu này gây áp lực mạnh lên khung máy bay cạnh nòng súng; và các chiếc được sản xuất sau đó có trang bị súng, chúng thường được tháo bỏ khi cải tiến ngoài chiến trường vì cùng một lý do đó.[4] Tổng cộng có 4.318 chiếc phiên bản B-25J được chế tạo.

Chiếc B-25 là một máy bay lái an toàn và dễ tính. Với một động cơ bị hỏng, vẫn có thể lượn nghiêng cánh 60° về phía động cơ hỏng, và có thể giữ kiểm soát bay dễ dàng ở tốc độ chậm đến 230 km/h (145 mph). Bộ càng đáp ba bánh giúp cho có tầm nhìn xuất sắc khi lăn bánh trên mặt đất. Than phiền đáng kể duy nhất về chiếc B-25 là độ ồn rất lớn phát ra từ động cơ; mà hậu quả là nhiều phi công về sau này bị giảm thính lực ở các mức độ khác nhau[5].

Chiếc Mitchell cũng là một máy bay bền bỉ đến mức đáng kinh ngạc, chịu đựng được các tổn hại rất lớn. Một chiếc B-25C nổi tiếng thuộc Không đoàn Ném bom 321 có tên lóng là "Patches" (những miếng đắp) vì đội bảo trì sơn mọi lỗ thủng trên thân máy bay do pháo phòng không bằng loại sơn zinc chromate nổi bật. Đến cuối cuộc chiến tranh, chiếc máy bay đã hoàn tất trên 300 phi vụ, đã phải hạ cánh bằng bụng nữa tá lần và có trên 400 lỗ thủng. Khung máy bay bị uốn cong đến mức để bay ngang và thẳng cần phải đặt cánh liệng trái 8° và cánh đuôi phải 6°, làm cho chiếc máy bay trông như "bò ngang" trên bầu trời.

Một đặc điểm khá thú vị về chiếc B-25 là tầm bay xa của nó có thể kéo dài nhờ đặt cánh nắp xuống một-phần-tư. Vì chiếc máy bay thông thường sẽ bay đường trường ở tư thế hơi ngóc mũi, khoảng 150 L (40 US gallon) nhiên liệu sẽ ở bên dưới điểm hút và không thể sử dụng. Việc đặt cánh nắp xuống sẽ làm cho máy bay bay ở tư thế ngang hơn, sử dụng được lượng nhiên liệu này và gia tăng thêm được chút tầm bay [5].