La production de série fut lancée en septembre 1964, impliquant plusieurs usines : les fuselages étaient construits à Marignane, où étaient également effectués l’assemblage et les essais en vol. À Toulouse, Sud-Aviation produisait les portes arrières, Latécoère la pointe avant et Messier l'atterrisseur. Les capots-moteur et flotteurs sortaient de l’usine de Saint-Nazaire et les transmissions mécaniques de l’usine Fiat de Turin. Une répartition qui fut modifiée à plusieurs reprises en fonction des contraintes industrielles et des commandes. Le premier Super Frelon de série prit l’air le 30 novembre 1965. Au total 99 Super Frelon ont été construits, 27 pour la France et 72 pour des clients à l’exportation.
Les 7 Super Frelon de l'Aéronautique navale accusent leur âge, n'ayant à la fin de 2008 qu'un faible taux de disponibilité, qui a conduit à leur immobilisation en juin. Les premiers à être remplacés « de manière durable, jusqu'à nouvel ordre » par l'Eurocopter EC-725 Caracal le sont à partir de décembre 2008 au sein de la flottille 32F, tandis que les pilotes de l'Aéronautique navale commencent à être formés par ceux de l'Armée de l'air. En avril 2010, le premier EC225 est livré à Lanvéoc-Poulmic pour remplacer les Super-Frelon. Les derniers Super Frelon ont été retirés du service le 30 avril 2010.
Dès les Z-8F, ils ont été motorisés par des turbines Pratt & Whitney PT6A-67B de 1941cv en lieu et place des copies WZ-6 des Turboméca 3C III de 1512cv originels.
Dès 1965 le prototype 02 et les 4 appareils de présérie furent affectés au CEPA/10S de la BAN Fréjus-Saint Raphaël, mais le 03 fut perdu sur accident le 30 mai. Il fut remplacé par un nouveau 03 [F-WMCU], en fait le 07 appartenant à l’École des mécaniciens de Sud-Aviation. Chargée de former les équipages, l’escadrille 20S, toujours à la BAN Fréjus-Saint Raphaël, reçut 4 Super Frelon entre le 22 août et novembre 1966, mais un exemplaire (c/n 102) fut perdu en cours de livraison (rupture de pale au-dessus de Pourières, 8 morts). Ces appareils permirent de former le 1er décembre 1967 l’escadrille 27S, qui devait remplacer la Section liaison Pacifique (SLPAC) équipée de Catalina. La 27S embarqua le 8 mars 1968 sur le Clemenceau avec 4 appareils. Installés sur la base aérienne 185 Hao, ils assurèrent les missions les plus diverses : transport de matériel et de passagers, évacuations sanitaires, ... Un cinquième Super Frelon fut livré en 1970 dans le Pacifique, mais un appareil fut renvoyé en France en 1971 et deux autres en 1974. En juillet 1978 les deux derniers Super Frelon du Pacifique embarquèrent sur le TCD Ouragan pour rejoindre Toulon.
Le premier Super Frelon ASM fut livré à la 20S en décembre 1967, et après une campagne d’endurance de 1 000 heures entre octobre 1968 et juillet 1969, les premiers équipages de la flottille 32F furent formés entre septembre 1969 et janvier 1970. Destinés à remplacer les Sikorsky HSS-1, les 4 premiers Super-Frelon arrivèrent à la BAN Lanvéoc-Poulmic le 21 janvier 1970. Équipés de 4 torpilles Mk 44 et de 4 grenades sous-marines, ils étaient chargés de la protection de la base sous-marine de l’île Longue, mais participaient aussi aux missions SAR ou aux opérations anti-pollution sur les épaves de pétroliers naufragés avec le système anti-pollution SOKAF. En 1980 les Lynx ont remplacé les SA.321G dans les missions ASM et la 32F a été reconvertie en flottille de transport et de sauvetage. À partir de septembre 1993, elle n’effectua plus que les missions de soutien spécifiques à la Bretagne.
C’est en juin 1979 qu’arrivèrent à la BAN Saint-Mandrier les premiers Super-Frelon devant remplacer les Sikorsky HSS-1 de la flottille 33F, unité de transport d'assaut, associée au Groupement des fusiliers marins commandos et intégrée à l’aviation embarquée. À partir de juin 1982, la flottille fut engagée au Liban dans les missions Olifant (avec renfort d’appareils de la 32F en septembre 1982 et septembre 1983). Les hélicoptères de la flottille 33F participèrent également, entre autres, à l’opération Daguet en 1990/1991, et à l’opération Balbuzard en soutien du contingent français engagé dans l’ex-Yougoslavie de janvier 1993 à juillet 1995. Baptisées Salamandre, les missions de soutien des forces de l’IFOR voient encore les Super-Frelon embarquer sur le porte-avions Clemenceau en mer Adriatique de décembre 1995 à décembre 1996.
Le 1er octobre 1999 la flottille 33F a été dissoute, fusionnant avec l’escadrille 23S pour constituer à la bAN Hyères Le Palyvestre une nouvelle flottille, la 35F. Celle-ci disposait initialement de 5 SA 321G, 3 AS.365F Dauphin et 6 Alouette III, mais le 1er juin 2001 l’état-major de la marine décida de regrouper les hélicoptères de même type dans les mêmes flottilles, et les Super Frelon de la 35F furent transférés à la 32F.
Le 1er janvier 2008 il restait 7 Super Frelon en service à la 32F, dont 1 détaché à Hyères, arborant un camouflage deux-tons de gris et utilisés pour les missions SAR ou C-SAR avec dépose de commandos. A bout de souffle (pour entretenir une machine en 2008, il fallait environ trente heures de maintenance pour une heure de vol), ils devaient être remplacés en 2005 par des NH-90NFH pour les missions SAR et des EC-725 AP pour les missions Resco mais ces derniers ne devraient être opérationnels qu'en 2011 au plus tôt. Le 30 avril 2010, ils sont retirés du service, remplacés par des EC225.