המטוס נכנס לשירות בתחילת 1940, זמן קצר לאחר פרוץ מלחמת העולם השנייה. כאשר נכנס לשירות נחשב ה-D.520 כמטוס הקרב החדיש והמתקדם ביותר בצבא הצרפתי, והיה יכול להתמודד עם הדגמים הגרמניים החדשים כמסרשמיט Bf 109; הוא היה איטי יותר מהמסרשמיט Bf 109, אך בעל יכולת תמרון טובה יותר. הוא ענה על הדרישה שניסח חיל האוויר הצרפתי למטוס קרב מהיר, מודרני, בעל מהירות טיפוס טובה וחימוש המתבסס על תותח 20 מילימטרים.
עם תחילת המערכה על צרפת שירתו בצבא הצרפתי רק מספר עשרות מטוסים מדגם זה, ומטוס הקרב העיקרי במערכה היה המוראן-סולנייה M.S. 406. לאחר תבוסת צרפת במערכה שימש המטוס בעיקר את כוחות מדינות הציר. חלק מהמטוסים נתפסו על ידי הלופטוואפה ושימשו לו כמטוסי אימון, וחלק הגיעו למדינות כבולגריה ואיטליה ושימשו את חיל האוויר שלהן. ייצורו של המטוס בצרפת נמשך גם לאחר התבוסה, והמטוס שימש את חיל האוויר של צרפת של וישי במערכות כגון המערכה בסוריה ובלבנון, ולאחר הצטרפות הכוחות הצרפתים בצפון אפריקה אל שורות צרפת החופשית לאחר מבצע לפיד שימש המטוס גם בלחימה לצד בעלות הברית במסגרת המערכה בתוניסיה, אך בשלב זה נחשב כבר המטוס למיושן, ומערכת הקשר שלו לא תאמה את מערכות הקשר במטוסי בעלות הברית האחרים. לאחר הפלישה לנורמנדי נעשה שימוש ספורדי במטוסים שננטשו על ידי הגרמנים בתקיפות כנגד כוחות קרקע גרמנים שהתבצרו בכיסים בגרמניה ובצרפת. מספר קטן מאוד שירת בצבא צרפת החופשית. טייסת נורמנדי-ניימן השתמשה במטוס בטרם עברה לברית המועצות שם סופקו לה מטוסי יאק-1 שדמו בביצועיהם ל-D.520. לאחר המלחמה שימש המטוס זמן מה כמטוס אימון בחיל האוויר הצרפתי.
צרפת
גרמניה הנאצית
ממלכת איטליה
בולגריה
