Użycie operacyjne Pierwsze SM.84 trafiły do 41° Gruppo Bombardamento Terrestre w lutym 1941 roku. Wkrótce też zaczęto w nie wyposażać jednostki torpedowe. Zadebiutowały bojowo w tej roli 17 maja 1941 roku. Największym sukcesem jednostek wyposażonych w te samoloty było uszkodzenie w ataku torpedowym pancernika HMS „Nelson” 27 września 1941. W roli samolotu torpedowego SM.84 służyły do jesieni 1942, gdy zostały przesunięte do wykonywania zadań bombowych. Oceniano, że w roli samolotów torpedowych były szybsze od SM.79, ale miały słabszą zwrotność, a przez to były bardziej podatne na ostrzał. Także SM.84 bis były używane jako bombowce. Brały między innymi udział w nalotach na Maltę. Przed kapitulacją Włoch w 1943 roku tylko jeden pułk bombowy: 43° Stormo, był wyposażony w te samoloty.
Po 8 września 1943 kilkanaście maszyn tego typu pozostało na opanowanym przez Aliantów południu Włoch. Były one wykorzystywane przez Aviazione Cobelligerante Italiana jako samoloty transportowe. Także egzemplarze z zajętych przez Niemców terenów służyły do końca wojny w charakterze transportowców. Sześć maszyn wersji bis zostało przekazanych przez Luftwaffe lotnictwu wojskowemu Słowacji.