Các xe tăng T-27 đã được đưa vào biên chế của Hồng Quân vào ngày 13 tháng 2 năm 1931.

Hồng Quân sử dụng T-27 như một xe trinh sát. Tổng cộng có 65 tiểu đoàn tăng siêu nhẹ được thành lập, mỗi tiểu đoàn có chừng 50 xe. Sau này giảm xuống còn 23 tiểu đoàn.

Trong năm 1935, các kỹ sư Liên Xô đã thử nghiệm kỹ thuật vận chuyển xe tăng ra chiến trường bằng máy bay. T-27 được treo lên một chiếc Tupolev TB-3. Tuy nhiên dự án này không thành công như mong đợi[2].

Trong những năm 1930, Hồng Quân đã đưa các tăng T-27 tới vùng Trung Á. Máy móc của xe hoạt động khá ổn định. Nhưng T-27 tỏ ra yếu kém trong việc hoạt động ở địa hình đầm lầy hay tuyết do xích xe quá nhỏ. Cùng với đó là việc phát triển các xe tăng lớn hơn (nhất là dòng tăng BT) đã khiến cho T-27 càng ít được sử dụng. Vì vậy, cuối những năm 1930, nó được đưa về làm công tác huấn luyện và làm xe kéo pháo.

Một số lượng khá lớn T-27 được sử dụng trong giai đoạn đầu của cuộc chiến tranh vệ quốc vĩ đại. Lần cuối cùng nó được nhìn thấy trong chiến đấu là ở trận chiến Moscow (1941-1942).

Hai chiếc T-27 đã bị bắt giữ bởi Rumani vào ngày 1 tháng 11 năm 1942[3]. Một số chiếc khác cũng được quân Đức sử dụng.