Первый полет Веллингтона Mk.V состоялся 21 октября 1940 г.

На высоте 20000 футов (6096 м) обледенели иллюминаторы гермокабины, что вынудило прекратить подъем. Наибольшая высота в 30000 футов (9144 м) была достигнута этой машиной во время третьей попытки. Эти полеты выявили неспособность двигателей Геркулес обеспечить достаточную высотность бомбардировщику. Поэтому на втором прототипе, оснащенном двигателями воздушного охлаждения Геркулес VIII, заменили эти силовые установки на опытные двигатели жидкостного охлажде- ния Роллс-Ройс Мерлин R E1S М (в серии обозначался Мерлин 60). Испытания этой машины начались в мае 1941 г., она легко превзошла «пятерку» по высотным характеристикам и была запущена в серию в конце 1941 г. Экипаж состоял из четырех человек: пилот, штурман, бомбардир и радист. Наступательное вооружение - восемь 500-фунтовых (227 кг) бомб. Попытки создать дистанционно управляемые огневые точки, которые должны были устанавливаться в оконечностях мотогондол, потерпели провал, так же как и попытки довести гермотурель FN 70 с четырьмя 7,67-мм Браунингами. Поэтому на серийных машинах устанавливали стандартные турели FN 20А, что увеличило экипаж еще на одного человека.

Начиная с 1941 г. Веллингтон стал использоваться в качестве самолета дистанционного разминирования. Установленное на Мк. 1А оборудование генерировало магнитное поле, эквивалентное магнитному полю корабля. Это вызывало подрыв немецких донных магнитных мин, в большом количестве сброшенных германской авиацией в прибрежных водах, акваториях портов и на речных фарватерах. Оборонительное вооружение состояло из единственного пулемета Виккерс «К» для защиты верхней полусферы. Испытания новой системы успешно прошли на полигоне и самолет, опоясанный токопроводящим кольцом 15,55 м в диаметре, начал освобождать от мин важные фарватеры у побережья Великобритании. На этой модификации, обозначенной DW1 Мк. 1, стоял фордовский двигатель, соединенный с 35 кв генератором. Вскоре была разработана новая версия воздушного тральщика: DW1 Мк.П с несколько более мощным генератором и уменьшенным до 14,63 м диаметром токопроводящего кольца. Этот вариант с большим успехом использовался при разминировании летом 1941 г. Суэцкого канала и средиземноморских гаваней. Когда войска союзников захватили итальянские порты, то использовали Веллингтоны DW1 для очистки гаваней от собственных мин.

Вариантом, предназначенным для действий над морем, стал противолодочный Веллингтон Мк. VIII. Используя планер и двигатели от версии Мк. 1С, конструкторы установили на нем РЛС обзора ASU Мк. II, работающую в дециметровом диапазоне и позволяющую обнаружить подводную лодку в позиционном положении при отсутствии видимости, а также мощный прожектор, установленный на месте выдвижной турели FN9. Прожектор предполагалось использовать для сопровождения рассекреченных немецких субмарин, прорывающихся в надводном положении на большой скорости в ночное время через контролируемый британской авиацией Бискайский залив. Эффективность прожектора была подтверждена войсковыми испытаниями. Экипаж увеличился на оператора РЛС и составил 6 человек. Вооружение состояло из двух 420-фунтовых (191 кг) глубинных бомб, в случае необходимости подвешивалась авиационная торпеда. Оборонительное вооружение соответствовало версии Мк.1С, Начиная с весны 1942 г. командование Королевских ВВС начало использовать Мк. VIII в военных действиях.

Этот самолет имел значительный успех и как торпедоносец, особенно над Средиземноморьем. Так, в октябре 1942 г., действуя с аэродромов на Мальте, Веллингтоны Mk.VIII утопили несколько танкеров с горючим для танков Роммеля и повредили большое количество судов.

В 1943 г. на вооружение Берегового командования начали поступать модификации на основе Веллингтона Мк.Х. с двигателями Геркулес и четырехточечной кормовой турелью FN 20A. Это были дневные морские бомбардировщики: Mk.XI с РЛС ASU Мк.П для поиска целей и вооруженный преимущественно торпедой; Мк. XII с более совершенным сантиметровым радаром ASU Мк.Ш в обтекателе под носовой частью фюзеляжа. А установка на месте носовой турели истребительного радара американского производства SCR 720 как на ночных истребителях Де Хавиленд DH 98 и Москито N.F. XII привела к появлению специализированного учебного самолета Веллингтон Мк. XVII, предназначенного для тренировок операторов РЛС.

Серийное производство низковысотного 1735-сильного двигателя Геркулес XVII, подходящего для патрульных самолетов, позволило выпустить 844 экземпляра Веллингтона Мк.ХШ на основе Mk.XI. Установка тех же двигателей на планер от версии Мк.ХН привела к созданию наиблее совершенной и универсальной версии морского Веллингтона Mk.XIV. На месте носовой турели на нем устанавливали прозрачный обтекатель для наблюдателя, управляющего прожектором. Был построен 841 экземпляр этого ночного противолодочного самолета.

Кроме того, построили 80 учебных самолетов Веллингтон Мк.XVIII с двигателями Геркулес XVII.

Последний Веллингтон Mk.XIX был создан уже после окончания войны. Он предназначался для тренировки экипажей и представлял собой бомбардировщик Мк.Х с единственным крупнокалиберным пулеметом в корме.

Всего в период с 1937 г. по 1940 г. было построено 11461 самолет марки Веллингтон. Они использовались в ВВС Великобритании, Канады, Австралии, Новой Зеландии и Южно-Африканского союза, а после войны в ВВС Франции и Греции. Кроме того, в составе Королевских ВВС были эскадрильи, полностью укомплектованные польским и чешским персоналом. Трофейные Веллингтоны использовались германскими и итальянскими ВВС.