La Luftwaffe se vit livrer ses premiers He 111 B à la fin de l'automne 1936. En mars 1937 suivait la première mission de combat au sein de la Légion Condor durant la guerre d'Espagne à laquelle participèrent 30 appareils de ce type.
Au cours de la Seconde Guerre mondiale, durant laquelle les He 111 furent employés sur tous les fronts, ils furent également employés comme avion de transport, comme lanceur de torpilles ou comme remorqueur de planeurs, en plus de leur utilisation principale en tant que bombardier moyen horizontal. Les He 111 était le légendaire bombardier de la bataille d'Angleterre, responsables des dégâts au sol causés lors du Blitz, même si ce rôle fut largement partagé avec les Dornier Do 17 Z et Junkers Ju 88 A, moins nombreux dans les effectifs de la Luftwaffe.
En automne 1944 la production fut arrêtée après la fabrication de 7300 exemplaires.
30 He 111 F-1 et 5 He 111 G-5 furent livrés à la Turquie.
En Espagne, la société CASA fabriqua des He 111 sous licence sous la dénomination CASA 2.111. Cette fabrication continua bien après la Seconde Guerre mondiale et les CASA 2.111 ne furent réformés que dans les années 1960. Les He.111 espagnols ont survécu longtemps après la guerre, leurs moteurs allemands ayant été remplacés par des Rolls Royce britannique, plus fiables et plus performants. Ce sont ces avions, des CASA 2.111, que l’on voit dans le film de 1969 La Bataille d'Angleterre de Guy Hamilton, dans Patton et dans d’autres films de guerre des années 1960 et 1970.