Użycie w lotnictwie Bombowiec Ca.135 został przyjęty na uzbrojenie jednostek Regia Aeronautica na początku 1936 roku. Jednak, w związku ze słabymi osiągami oraz polityką sprzętową włoskiego dowództwa, preferującą samoloty trójsilnikowe, nigdy nie stał się podstawowym sprzętem dywizjonów bombowych. Używany był głównie w drugiej linii jako samolot treningowy i szkolny. Także wersje zmodyfikowane nie przewyższały swymi osiągami produkowanych równolegle bombowców Fiat BR.20, CANT Z.1007 czy Savoia-Marchetti SM.79.
W tej sytuacji samolot został zaoferowany odbiorcom zagranicznym. Zbudowane według zamówienia rządu peruwiańskiego 32 egzemplarze Tipo Peru z silnikami Isotta-Fraschini Asso RC.40 wzięły udział w wojnie z Ekwadorem w 1941 roku. Najwięcej samolotów trafiło do lotnictwa wojskowego Węgier, które zakupiły w latach 1939–1941 68 egzemplarzy wersji Ca.135bis. Zakup ten finansowany był z kredytu udzielonego w tym celu przez rząd włoski.
Samoloty węgierskie były, obok Ju 86, podstawowym sprzętem bombowym lotnictwa Węgier w pierwszym okresie II wojny światowej. Wzięły udział w działaniach przeciw Jugosławii a następnie w ataku na Związek Radziecki.