Pierwsza zakończona pełnym sukcesem próba odpalenia D-21B z pylonu B-52 odbyła się dopiero 16 czerwca 1968 roku. Nie oznaczało to jednak końca problemów, kolejne dwa loty ponownie zakończyły się porażką i dopiero w grudniu 1968 roku D-21B wykonał prawidłowy lot.
Służba thumb|D-21B z pracującym silnikiem startowym Latem 1969 roku podjęto decyzję o przeprowadzeniu pierwszego lotu operacyjnego. W ramach operacji Senior Bowl maszyny miały przeprowadzić loty rozpoznawcze nad chińskim poligonem atomowym w pobliżu jeziora Lob-nor. 9 listopada 1969 roku wystartował pierwszy zespół B-52H/D-21B. Aparat prawidłowo oddzielił się od nosiciela i pomknął nad cel. Nie został wykryty przez Chińczyków, ale nie wrócił znad chińskiego terytorium. Ślad po nim zaginął aż do lat 90. XX wieku, kiedy okazało się, że zawiódł system nawigacyjny, który skierował aparat nad Syberię, gdzie po wyczerpaniu paliwa D-21 uległ rozbiciu. Rosjanie przechwycili wrak i poddali gruntownej analizie. Ich wynikiem miała być podjęta przez OKB Tupolewa próba skonstruowania podobnej bezpilotowej maszyny rozpoznawczej, oznaczonej wstępnie kryptonimem „Kruk” (Ворон), jednak nigdy nie doszło do realizacji tych zamiarów.