EC-121 był pionierską maszyną w dziedzinie wczesnego ostrzegania i dozoru przestrzeni powietrznej, dlatego stał się platformą testową dla bardzo wielu systemów radarowych i zbierania informacji wywiadowczych i podczas służby był wielokrotnie modyfikowany. W późniejszym okresie wymieniono silniki na mocniejsze oraz zainstalowano system przekazywania danych w czasie rzeczywistym do stanowisk kontroli naziemnej. EC-121 stał się także platformą testową do testów obrotowej anteny radarowej (charakterystyczny "talerz") zainstalowanej na grzbiecie, zastosowanej w późniejszych konstrukcjach E-2 Hawkeye i E-3 Sentry.
Misje bojowe EC-121 15 kwietnia 1969 jeden EC-121 został zestrzelony przez północnokoreański myśliwiec, a cała licząca 31 osób załoga poniosła śmierć.
Podczas wojny w Wietnamie około 30 maszyn EC-121 poprzez wyposażenie w odpowiednie sensory zostało przystosowanych do śledzenia ruchów jednostek naziemnych na szlaku Hồ Chí Minha w ramach operacji Igloo White. Zmodyfikowana wersja samolotu nosiła oznaczenie EC-121R BatCat. W październiku 1967 EC-121 dokonał pierwszego namierzenia wrogiego myśliwca typu MiG-21.