初期の実戦例としてノモンハン事件(1939年)で少数が使用されたが、ソ連軍戦車相手に格別の戦果は挙げていない。このとき戦ったBT戦車の装甲は九七式中戦車（チハ）よりも薄いはずだが、避弾経始を考慮した設計だったため弾が滑ったことも考えられた。ソ連側の記録によると、本銃を含むと思われる大口径機関銃は装甲車に対してはかなり効果があったものの、戦車に対しては非常に近距離でないと貫通しなかったとしている。また、ソ連軍の教範通りに歩兵に随伴し低速で侵攻すると思われた敵戦車が、本来歩兵に随伴するはずのT-26は戦場が遠隔地であったことにより自走進出が困難で思ったより少なく、長距離を装輪で行軍することで戦場に進出できたBT戦車が主敵となり、これは高速で機動したため、対応することが極めて困難だったことも考えられた。もっとも、そもそも九七式自動砲の配備数が少なかったことも、目立った戦果記録が無いことに影響していると見られている。
第二次世界大戦後期に入り連合軍の戦車の装甲が徐々に強力になり対戦車ライフルという銃種そのものが陳腐化していくことになる。貫通力が高いとは言えない九七式自動砲も例外ではなく威力不足が目立つことになった。軽装甲の装甲兵員輸送車程度を相手にするには依然有効だった。
一部には現地で改造され、フルオート化されたものが対空機関砲の代わりとして使用された事もある。対戦車銃として開発された自動銃を対空用に転用することは珍しいことではなく、前述のように九八式二十粍高射機関砲は九七式同様にオチキス社系のガス圧作動式機関砲で、転用ではないが構造的に類似したものである。外国でも同様に、ゾロターン S-18/1100対戦車ライフルをもとに対空機関砲化したFlak 30(独)があり、Lahti m39(フィンランド)対戦車ライフルでも専用の対空銃架が開発され、地上襲撃機対策として積極的に運用された。
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