Zestawy prototypowe były eksploatowane próbnie w pierwszej połowie lat 80. na trałowcu ORP „Czajka”, lecz zostały następnie zamienione z powrotem na zestawy 2M-3M. Zestawy seryjne zastępowały 2M-3M na niektórych okrętach począwszy od połowy lat 80. – jednymi z pierwszych były oba okręty szkolne typu Wodnik w 1985 roku. Pierwszym nowym okrętem, który wszedł do służby z armatą ZU-23-2M, był trałowiec ORP „Bukowo” (23 czerwca 1985).
Zastosowanie Armaty ZU-23-2M były lub są zamontowane na okrętach polskiej Marynarki Wojennej (podana liczba zestawów na jeden okręt): 1 korweta proj. 620 ORP „Kaszub” (3 zestawy) 11 kutrów zwalczania okrętów podwodnych proj. 918M (po 1 zestawie - zastąpiły 2M-3M) 5 kutrów patrolowych proj. 918 (po 1 zestawie - zastąpiły armaty 2M-3M) 1 trałowiec proj. 206F ORP „Czajka” (zestawy prototypowe, następnie zamienione na 2M-3M) 1 trałowiec bazowy proj. 207D ORP „Gopło” (1 zestaw - zastąpił 2M-3M) 12 trałowców bazowych proj. 207P (po 1 zestawie) 1 okręt transportowo-minowy proj. 767 ORP „Gniezno” (po 4 zestawy później zastąpione zestawami Wróbel II) 3 kutry transportowe proj. 716 (po 1 zestawie) 2 okręty szkolne projektu 888: ORP „Wodnik” i ORP „Gryf” (po 2 zestawy - od 1985 zastąpiły armaty 2M-3M) 1 zbiornikowiec paliwowy proj. B199 Z-8 (2 zestawy, zastąpiły 2M-3M) 1 zbiornikowiec paliwowy proj.