Lors de ses engagements face aux chasseurs alliés, le Susei se révéla handicapé par son absence de blindage et de réservoir auto-obstruants. Cependant, il réussit à causer des dommages considérables à la flotte ennemie, comme par exemple le USS Franklin qui fut presque coulé par un seul D4Y.
Le D4Y opéra à partir des portes avions japonais suivant :Chitose, Chiyoda, Hiyō, Junyō, Shinyo, Shōkaku, Sōryū, Taihō, Unryū, Unyō et Zuikaku.
Le D4Y1-C de reconnaissance entra en service actif à la mi-1942, quand deux appareils de cet version furent déployés à bord du Sōryū durant le Bataille de Midway. Les deux appareils furent détruits quand le Sōryū fut coulé.
Durant la Bataille des Mariannes (Du 19 au 20 juin 1944), les DY4s furent engagés par les chasseurs de l'U.S. Navy et abattus en grand nombre. Le D4Y était plus rapide que le Grumman F4F Wildcat, mais moins que le nouveau Grumman F6F Hellcat. Les avions japonais efficaces en 1943, se révélèrent dépassés par les avancées technologiques américaines de 1944 et l'introduction en grand nombre de porte-avions de la classe Essex pouvant transporter plus d'appareils.Il faut prendre en compte aussi que le manque d'expérience des pilotes japonais représenta un lourd désavantage.
La Task Force 58 attaqua les aérodromes basés aux Philippines et détruisit dans un premier temps la force aérienne nippone basée à terre avant d'engager les appareils de la Marine Impériale. Le résultat est ce que les Américains appellerons le tir aux pigeons des Mariannes ou "The Great Marianas Turkey Shoot", où près de 400 appareils japonais furent abattus en un seul jour.Ce jour là, Un pilote de Hellcat, le Lieutenant Alexander Vraciu, descendit 6 D4Y en quelques minutes.
Le D4Y fut relégué aux opérations terrestres où le D4Y2 à moteur à refroidissement liquide et le D4Y3 à moteur radial se battirent tout les deux contre la Marine Américaine. Un D4Y réussit à toucher et couler le porte-avion USS Princeton le 24 octobre 1944. Les D4Y touchèrent aussi les autres portes-avions à la fois par de attaques conventionnelles mais aussi par des attaques Kamikazes. Durant les combats aériennes au dessus des Philippines, les japonais utilisèrent pour la premières fois les attaques kamikazes qui firent subirent des lourdes pertes coté américain. Les D4Y du 761 Kokutai accrochèrent à leur tableau de chasse les porte-avions d'escorte USS Kalinin Bay le 25 octobre 1944 et le lendemain USS Suwannee. Les deux navires furent gravement endommagés, spécialement le Suwannee qui compta beaucoup de tués et beaucoup d'avions détruits. Un mois plus tard, le 25 novembre, les porte-avions USS Essex, Hancock, Intrepid et Cabot furent touché par des attaques kamikazes de la part de chasseurs A6M Zero et de D4Y des 601 et 653 Kokutai , qui firent plus de dommages.
La Task Force 58 approcha du sud du Japon en mars 1945 pour attaquer les objectifs militaires en support à la invasion d'Okinawa. Les japonais répondirent par de massives attaques kamikaze, sous le nom de code Kikusui, où beaucoup de D4Y furent utilisés.
Les porte-avions USS Enterprise et Yorktown furent endommagés par des D4Ys du 701 Kokutai le 18 Mars. Le 19 Mars, le porte-avion Franklin fut frappé par un autre D4Y, en dépit d'un intense tir de barrage. Le Franklin fut si gravement endommagé qu'il fut retiré du service jusqu'à la fin de la guerre. Un autre D4Y toucha la porte-avion USS Wasp.
Le 12 avril 1945, un D4Y, faisant parti de la mission Kikusui n°2 frappa l'Enterprise, en causant quelques dommages.
Durant l'attaque Kikusui n°6, le 11 mai 1945, l'USS Bunker Hill fut frappé par deux kamikazes que certains identifient comme des D4Ys. C'était le troisième porte-avion de la classe Essex à devoir être retiré du service actif pour retourner en réparation aux Etats-Unis.
Le D4Y était plus rapide que le Mitsubishi A6M Zero. Quelques uns furent convertis en chasseur de nuit D4Y2-S pour combattre les boeing B-29 Superfortress, une mission unique pour un bombardier en piqué monomoteur. La conversion en chasseur de nuit fut faite par le 11ème Arsenal d'aviation naval de Hiro. Chaque D4Y2-S virent leur équipement de bombardement retiré et un canon Type 99 Modèle 2 de 20mm installé dans le cockpit arrière, dont le canon était incliné vers l'avant et le haut. Cependant l'absence de radar pour les opérations de nuit et la faible taux de montée, combiné avec la haute altitude de vol du B-29, rendirent le D4Y2-S inefficace comme chasseur de nuit.
A la fin de la Guerre, quelque D4Y restèrent en action contre l'US Navy, les derniers onze d'entre eux participèrent à une mission de recherche le 15 août 1945. Dirigé par le Vice Amiral Matome Ugaki, tous sauf 3 furent abattus.