Второй экземпляр самолета был построен в апреле 1914 года и, помимо номера 128, в июне получил имя собственное «Киевский» в память о перелете по маршруту Киев – Петербург – Киев. Эта машина была оснащена двумя 140-сильными и двумя 125-сильными двигателями «Argus». Собственником аэроплана стала Гатчинская авиашкола, и в дальнейшем все летчики, летавшие на «Муромцах», изучали азы обращения с этим самолетом на учебном «Киевском».

С началом Первой мировой войны необходимость в «Муромцах» резко возросла, и в июле – сентябре 1914 года были построены пять машин, получивших римские номера с I до V. По утвержденному штату, команда одного самолета (включая и наземный персонал) состояла из четырех офицеров, военного чиновника и сорока нижних чинов. Каждый аэроплан был приравнен к корпусному авиаотряду и подчинялся штабам корпуса и армии. Из вооружения «Илью Муромца» предполагалось оснастить двумя станковыми пулеметами «максим», двумя ручными пулеметами «мадсен» и 37-миллиметровой пушкой для борьбы с дирижаблями противника. Но этот вариант после испытаний отпал. Обычно в полет экипажи брали с собой карабин, ручной пулемет и 12–15 пудов (196–245 килограммов) бомб.

В декабре 1914 года специально для «Муромцев» было создано уникальное авиационное подразделение – Эскадра воздушных кораблей (ЭВК), подчиненная непосредственно Верховному главнокомандующему. Начальником ЭВК стал глава РБВЗ М.В. Шидловский, которому присвоили чин генерал-майора (он стал первым генералом авиации в истории России). Штаб ЭВК разместился в польском местечке Яблонна. А уже 15 февраля 1915-го «Илья Муромец» № 150 отправился в первый боевой полет – правда, из-за сильной облачности он прошел безрезультатно. Но уже 24 и 25 февраля мир увидел, на что способны русские тяжелые бомбардировщики. «Муромец» сбросил на станцию Вилленберг свыше 160 пудов (2620 килограммов) бомб. В отчете о налете было сказано, что «разрушено станционное здание и пакгауз, 6 товарных вагонов и вагон коменданта, причем комендант ранен, в городе разрушено несколько домов, убито 2 офицера и 17 нижних чинов, 7 лошадей. В городе паника, жители в ясную погоду прячутся в погребах». 14 июня 1915-го еще один «Муромец» удачно бомбил станцию Пржеворск, уничтожив стоящий на путях состав с 30 тысячами снарядов. В дальнейшем экипажи «Муромцев» настолько ювелирно отработали приемы бомбометания, что могли поразить движущуюся колонну из пяти грузовиков, причем все пять бомб ложились точно в цели.

5 июля 1915 года «Илья Муромец» № 150 (экипаж – командир поручик И.С. Башко, помощник командира поручик М.В. Смирнов, артиллерийский офицер штабс-капитан А.А. Наумов и моторист младший унтер-офицер А.М. Лавров) принял первый воздушный бой с врагом. Из оружия у авиаторов имелись карабин, ручной пулемет «мадсен» с 250 патронами и 15 бомб. Несмотря на ожесточенный огонь противника, экипаж бомбардировщика успешно выполнил задание и пришел на свой аэродром. За этот героический бой командир корабля И.С. Башко был произведен в чин штабс-капитана и награжден орденом Святого Георгия 4-й степени, получили награды и другие члены экипажа. В годы Первой мировой войны в русской авиации появилась целая плеяда выдающихся летчиков, воевавших на «Муромцах». Кроме И.С. Башко это Г.В. Алехнович, Д.А. Озерский, Г.Г. Горшков, Д.Д. Макшеев, А.В. Панкратьев, А.М. Констенчик и другие.

На «Илье Муромце» воевал и самый экзотический по происхождению русский летчик Первой мировой – негр-полинезиец Марсель Пля. Он в звании младшего унтер-офицера был мотористом на «Илье Муромце» № 10 поручика А.М. Констенчика. Марсель был привезен в Россию подростком, но после начала войны отказался возвращаться во Францию и вступил в ряды русской армии – сначала как шофер, потом как летчик-моторист. Воевал Марсель геройски и за два боевых вылета был удостоен Георгиевских крестов 4-й и 3-й степеней. Первую награду он получил 11 апреля 1916 года