Le B-24 est utilisé sur tous les théâtres d'opération de la Seconde Guerre mondiale par l'USAAF, aussi bien dans le Pacifique qu'en Europe. On le retrouve ainsi au sein de la 8th USAAF sur l'ETO (théâtre d'opération européen), et dans la 15th USAAF qui opère sur le MTO (théâtre d'opération méditerranéen).
Bombardier lourd, il est surtout utilisé par les forces stratégiques, souvent aux côtés du B-17.
Plusieurs armées de l'air alliées utilisèrent cet appareil notamment l'armée de l'air française, la Royal Air Force, la Royal Australian Air Force et l'Aviation royale du Canada ou l'Armée rouge.
Après guerre, certains de ces avions ont été utilisés par des compagnies civiles.