Il peut être utilisé d'origine sur tous les types de chasseurs conçus aux États-Unis, l'immense majorité des avions de combat d'Europe et d'Asie de l'Est (hors République populaire de Chine), et, avec quelques modifications, par des chasseurs d'origine soviétique et russe tels le Mig-29 ou des hélicoptères.
Une version missile sol-air pour un véhicule blindé existe et une autre version est aussi embarquée sur des navire de guerres pour leur autodéfense.
Le AIM-9B fut la première version opérationnelle : la première victoire aérienne obtenue par un missile intervint lorsqu'un AIM-9B tiré par un F-86 Sabre de la Force aérienne de la République de Chine abattit un MiG-15 de l'Armée populaire de libération de Chine populaire le 24 septembre 1958.
Le AIM-9B servit notamment lors de la guerre du Viêt Nam, mais restait d'une efficacité limitée. L'US Air Force revendique 28 victoires aériennes avec cette arme, pour une efficacité de 16 % avec les versions AIM-9B et AIM-9E. L'US Navy pour sa part eut plus de succès avec les versions AIM-9D et AIM-9G. Au total, durant ce conflit, 82 victoires seraient dues à des AIM-9. Les versions ultérieures introduisirent différentes améliorations et furent utilisées avec succès dans de nombreux conflits, tels la guerre des Malouines par les deux belligérants, la guerre Iran-Irak par l'Iran, les guerres Indo-Pakistanaise par le Pakistan, les guerres du Golfe par la coalition et les conflits israélo-arabe.
Environ 270 victoires aériennes de par le monde sont dues à des AIM-9 Sidewinder, toutes versions confondues.