Le Catalina avait été initialement conçu comme un patrouilleur-bombardier, un avion avec long rayon d'action capable de localiser et d'attaquer des navires de transport ennemis afin de rompre les lignes de ravitaillement ennemies. Il pouvait être armé de bombes, de torpilles ou de charges de profondeur pour la lutte anti-sous-marine.
Les Catalina américains, canadiens et britanniques assurèrent la protection des convois de bateaux traversant l'Atlantique vis à vis des sous-marins allemands. Ils en coulèrent une trentaine seuls (dont le U-156, le U-164, le U-197, etc.) plus quelques autres en collaboration avec d'autres moyens anti-sous-marins.
C'est un Catalina de la Royal Air Force qui, le 26 mai 1941, retrouve le cuirassé allemand Bismarck qui s'est échappé après avoir coulé le HMS Hood, fierté de la marine britannique.
C'est un Catalina de l'US Navy qui, le 3 juin 1942, repère la flotte japonaise s'approchant de Midway et permet ainsi de lancer la première attaque aérienne de la Bataille de Midway.
Pendant la Guerre dans le Pacifique, plusieurs escadres de Catalina avaient été modifiés pour pouvoir opérer de nuit. Équipés de détecteurs d'anomalies magnétiques, peints en noir, ces Catalina (surnommés les Black Cats en référence à leur peinture), attaquaient les convois de ravitaillement japonais la nuit. Dans ce rôle, ils coulèrent 112 700 tonnes de bateaux marchands, en endommagèrent 47 000 tonnes et endommagèrent 10 navires de guerre.On assiste à une attaque de ce genre dans le jeu Call of Duty: World at War (la mission se nomme d'ailleurs « Black Cats »).
La France a engagé ses Catalina pendant la Guerre d'Indochine puis la Guerre d'Algérie.