Дальнейшая его судьба была вполне обычной: после облета прототип был передан ВВС, которые его интенсивно испытывали на авиабазе Гуидония. Из полетных характеристик радовала, прежде всего, максимальная скорость в 563 км/ч на высоте 5500 метров и прекрасная маневренность.
По требованию министерства авиации, конструкторское бюро работало также над вторым прототипом, отличавшимся от первого новым трехлонжеронным крылом и протектированными топливными баками. Позднее фирма доработала под этот стандарт и первый прототип ММ409. Также первоначальное остекление закабинной части фонаря кабины пилота (известное по I серии Re.2000) было заменено новым, таким как у самолетов III серии. Так же выглядел и второй прототип; у него первоначально убираемое хвостовое колесо было заменено на неубирающееся.
Модернизация электрической системы позволила производить запуск двигателя электростартером. В консолях крыла, вне ниш шасси были установлены два пулемета калибром 7,7-мм, как у некоторых Re.2000 III серии.
Тридцать первого октября 1940 года фирма Реджиане получила заказ на поставку двухсот Re.2001, также были выданы заказы на лицензионное производство двухсот самолетов фирме Бреда, ста машин фирме Капрони в Толедо и такого же количества самолетов заводу Капрони в Предаппио. В феврале 1941 года началась постройка десяти предсерийных машин (номера ММ8071 — ММ8080). Успешные испытания прервала катастрофа второго прототипа 14 марта 1941 года, унесшая жизнь пилота Пьетро Скапинелли.
Независимо от изготовления предсерийных машин шла сборка прототипа Re.2001bis, оснащенного совершенно новым крылом без выступающего блока радиаторов, теперь полностью вписанных в контур крыла. Воздух к ним подводился через воздухозаборники в передней кромке крыла. Этот прототип имел серийный номер ММ538. При его изготовлении были использованы фюзеляж и оперение первого прототипа ММ409. Испытания Re.2001bis проходили с лета 1941 до лета 1942 года при участии немецких специалистов. Была достигнута максимальная скорость 600 км/ч на высоте 6000 м. Однако решение о внедрении в производство не было принято, и на самолет установили первоначальное крыло. Опыт установки радиаторов в крыле позже был использован при проектировании истребителя Re.2006.
В мае 1941 года был готов первый предсерийный самолет. Первая серийная машина покинула сборочную линию в сентябре того же года. В июле 1941 года прорабатывался вариант заказа ста фюзеляжей Re.2001 для Швеции. Двигатели DB-601 в этом случае должны были поставляться прямо из Германии, но к реализации проекта дело не дошло. Длительная задержка с поставкой моторов DB-601 или лицензионных RA-1000RC-41/I привело к ликвидации заказов на фирмах Бреда и Капрони-Толедо, уменьшению заказов у фирмы Реджиане до ста и у фирмы Капрони-Предаппио до десяти самолетов.
Постоянные задержки поставок моторов DB-601/RA-1000 привело к тому, что январю 1942 года были готовы только 43 серийных и 10 предсерийных машин. Эта удручающая ситуация навела Министерство авиации на мысль установить на планер Re.2001 итальянский инвертный двенадцатицилиндровый двигатель воздушного охлаждения Изотта-Фраскини Дельта RC.16/ 48 мощностью 618kW (840 л.с.). Изготовление прототипа и серии в сто машин были заказаны фирме Капрони-Толедо вместо ранее заказанных Re.2001.
Первый полет прототипа Re.2001 Delta совершил полет 12 сентября 1942 года. Во время испытаний (проходивших на авиабазе Гуидония со 2 ноября) прототип достиг скорости 523 км/ч на высоте 5600 м и набрал высоту 3000 метров за 4 минуты 11 секунд, а 6000 м — за 10 минут 30 секунд. 27 января, во время испытаний на скороподъемность, на высоте 7800 м перегрелся и остановился двигатель, а при попытке повторного запуска он взорвался. Пилот Беретта спасся на парашюте, но самолет был полностью уничтожен. Позднее, Министерство авиации аннулировало заказ на Re.2001 Delta.
Уже в декабре 1941 года Министерство авиации приняло решение о переделке ста фюзеляжей Re.2001 для разных целей. Тридцать девять самолетов под обозначением Re.2001 CB (Caccia-Bombardiere — истребитель-бомбардировщик) получили под фюзеляж бомбодержатель для бомб массой 100, 160 или 250 кг; два фюзеляжа были облегчены для испытаний катапультных стартов с земли; 12 Re.2001 получили тормозные крюки и узлы крепления к катапульте для предполагавшейся эксплуатации с авианосцев «Аквила» и «Спарвьеро», первый из них к моменту капитуляции Италии находился в стадии достройки, но закончен не был. До закладки «Спарвьеро» дело вообще не дошло. Тут надо упомянуть о необычном способе увеличения ёмкости подпалубных ангаров этих кораблей — в корнях крыльев должны были быть установлены специальные крючья, за которые самолеты подвешивались к специальным тележкам на потолке ангара. Однако эта идея не дождалась своей реализации. Палубные самолеты несли обозначение Re.2001 OR. В апреле и июне 1942 года были заказаны две серии этих машин по пятьдесят штук каждая. Изготовление началось, но так как ввод авианосцев в строй непрерывно затягивался, все Re.2001 OR позднее были модифицированы до стандарта наземных машин и переданы для службы наземным подразделениям.
Один из самолетов стандарта OR (ММ.9921) был переделан под торпедоносец. Этот вариант был обозначен Re.2001G и подготовлен к испытаниям в июне 1943 года.
Существовали планы постройки 50 Re.2001 GV. (GV — модификация под возможность несения под фюзеляжем 630 кг бомбы). По идее лейтенантов Галимберти (Galimberti) и Ваккари (Vaccari), самолет мог служить для нанесения ударов по авианосцам. Вначале для этого приспособили два самолета варианта СВ. Единственное боевое применение их произошла 11 августа 1942 года, когда пилотируемые лейтенантами Робони (Robone) и Ваккари самолеты напали на авианосец «Викториес». Оба пилота сбросили бомбы; однако, лишь одна бомба упала на палубу возле борта судна и не взорвавшись, отрикошетила за борт. Эта неудача остановила реализацию варианта Re.2001GV. На одном из этих самолетов (ММ8077) проводились испытания совмещенного управления сектором газа и угла установки лопастей винта при пикировании. При опытном пикировании с шести до двух тысяч метров под углом 70 градусов была достигнута скорость 950 км/ч без превышения максимальных оборотов мотора и повреждений фюзеляжа. Только одна панель остекления фонаря кабины пилота не выдержала динамического напора и лопнула. В октябре 1942 года прошли испытания бомбардировки с пикирования стандартной 250 кг бомбой на экспериментальном полигоне в Фурбаре и были получены очень хорошие результаты.
Следующим строившимся вариантом был Re.2001CN (Caccia Notturrna — ночной истребитель), вооруженный двумя пушками Маузер MG-151 калибром 20-мм, размещенными в характерных «ванночках» на месте первоначальных пулеметов калибром 7,7-мм. Однако, трудности в поставках пушек привели к тому, что большинство самолетов сохранило первоначальное вооружение.
Было заказано 50 самолетов этого варианта (построили же всего 34 машины). Некоторые истребители CN получили могучие цилиндрические пламегасители на выхлопные патрубки двигателей. Один самолет под обозначением Re.2001H был переоборудован как экспериментальный противотанковый штурмовик, но до его серийного производства дело не дошло, как и у специализированного торпедоносца Re.2001G. Этот прототип после капитуляции Италии был уничтожен.
