Известно, что некоторые Re.2001 имели оборудование для фоторазведки — один вертикальный фотоаппарат в правом корне крыла. Для перспективной съемки некоторые Re.2001 получили два контейнера для фотоаппаратов в передних кромках крыла приблизительно на полуразмахе. Эти доработки проводились в полевых условиях.
Один из предсерийных самолетов Re.2001 (ММ8075) получил оборудование для сброса специальной бомбы, частично снаряженной сжатым воздухом. Испытания этого необычного оружия столкнулись с трудностями и разработка была остановлена.
Ко дню капитуляции Италии было изготовлено 237 самолетов Re.2001 всех вариантов.
Фалько II, переданные итальянским ВВС, прежде всего попали в учебные подразделения, а бой вступили только в феврале 1942 года на Сицилии. Их основной задачей было сопровождение бомбардировщиков в налетах на Мальту. Здесь они столкнулись с истребителями Спитфайр Mk.V и Харрикейн Mk.II. До высоты 7000 м Фалько II был равным соперником для британских истребителей (старших версий), но выше превосходство переходило к защитникам Мальты. Самолеты Re.2001 постепенно поступили на вооружение 2, 22, 24, 59, 60, 160 и 167 истребительных групп (Gruppo di Caccia). Другим полем боя Re.2001 22-й истребительной группы была Сардиния. Самолеты Re.2001 CN служили преимущественно в подразделениях, дислоцированных в Северной Италии, где действовали в составе 59-й и 60-й истребительных групп против Галифаксов, Стрирлингов и Ланкастеров RAF. К моменту капитуляции Италии в составе ВВС оставалось всего семьдесят три самолета Re.2001 всех вариантов.
Первой, 9 сентября 1941 года, Re.2001 получила 2-я истребительная группа в Равенне, состоящая из трех эскадрилий -150, 152, и 358. Группу возглавлял Джузеппе Бейлон (Giuseppe Baylon). К концу года эскадрилий приняли 28 самолетов, а 10 мая 1942 года они были переброшены на Сицилию. Их основной задачей было сопровождение бомбардировщиков в налетах на Мальту, находившуюся приблизительно на 88,5 км южнее. Британское присутствие на Мальте угрожало маршрутам поставок из Италии войскам Оси на Севере Африка.
Фактически, 2-я группа попала сразу «с корабля на бал». В тот же день, 10 мая, ее Re.2001 и 4-я группа на Macchi MC.202 сопровождали пять бомбардировщиков Кант Z.1007bis, которые должны были бомбить радарную установку на Мальте. Итальянские истребители столкнулись со своими британскими визави — Спитфайрами и Бофайтерами. Итог схватки — потеря одного Z.1007bis и МС.202, повреждение двух других бомбардировщиков. Пилоты Re.2001 заявили о победах над тремя Спитфайрами и Бофайтером и повреждении еще двух Спитфайров.
В течение 1942 года на долю Re.2001 выпало много эскортных полетов с итальянскими и немецкими бомбардировщиками. И практически всегда подобные вылеты заканчивались схватками с британскими истребителями, защищающими остров. Известен случай, когда в одном бою 12 мая сержант Марчио (Marchio) сбил два Спитфайра. Однако его самолет тоже получил значительные повреждения а сам пилот был серьезно ранен. Все же ему удалось привести истребитель к Сицилии и посадить его в районе Сиракуз. Правда, ранения Марчио не оставили ему шансов и он погиб. В период с 10 по 18 мая пилоты группы подали рапорты о 16 сбитых самолетах противника, трех поврежденных и одного вероятно поврежденного.
Итальянцы потеряли один Re.2001 сбитым и три получили значительные повреждения. 18 мая защитники Мальты получили 17 Спитфайров, доставленных к острову авианосцем «Игл». Заметно усиленная воздушная оборона острова 19 мая рассеяла строй бомбардировщиков, направлявшихся к Мальте. Те были вынуждены преждевременно сбросить бомбы и повернуть обратно Пилоты. Re.2001 сбили два самолета — Спитфайр и Бофайтер и повредили еще пять Спитфайров без собственных потерь.
Re.2001 и МС.202 начали непрерывное патрулирование в районе Мальты по утрам с 24 мая. Пилоты 2 группы уже на следующий день записали на свой счет пять побед, потеряв лишь один Re.2001.
Накал воздушных боев усилился в период с 26 мая по 2 июня. Итальянские пилоты заявили о пяти сбитых британских истребителях и трех поврежденных, при потере трех Re. 2001 сбитыми и трех поврежденными. 6 июня восточнее острова погибли три Реджиане, а еще два еле дотянули до Сицилии. Ценой этому было два сбитых Спитфайра.
Более успешным выдалось 7 июня, когда девять Re.2001 и 12 МС.202 сопровождавшие итальянские военно-морские силы, выискивающие конвои в Средиземноморье, перехватили три торпедоносца Альбакор, Бофайтер и Спитфайры, готовые нанести удар по итальянским судам. Атака англичан была неудачной, два Альбакора и Бофайтер были подожжены и упали в море. В воздушном бою был поврежден один Re.2001. Итальянский флот в свою очередь обнаружил и разгромил британский конвой, отправив на дно 15 из 17 грузовых судов, двигавшихся в сторону Мальты. Это был серьезный удар. Англичане приостановили проводку конвоев к острову до августа 1942 года. Действия 2 истребительной группы были отмечены Бенито Муссолини, который лично наградил 15 ее пилотов. Восемь пилотов были предоставлены к Серебряной Медали Воздушной Доблести (Medrglia al Valore Aerunautico a" Argento), семь других — к Бронзовой Медали Воздушной Доблести (Medaglia al Valore Aerunautico d' Bronzo). Re.2001 и дальше продолжали сопровождать бомбардировщики Оси в их налетах на Мальту, хотя истребители также привлекались и для прикрытия торпедоносцев S.M.79. 9 августа группа была усилена 11 Re.2001 из 22 — и группы развернутой от Рома-Кампино (Roma-Ciampino) до Монсерато (Monserato). Эти истребители были сведены в 359-ю и 362-ю эскадрильи группы. 54-й полк с давдцатью шестью Re.2001 был размещен на аэродромах Сицилии, южной Италии, и острове Пантеллерия. Штаб 22 группы в начале сентября 1942 года переместился из Монсерато в Кальтаджироне. Две эскадрильи группы были посланы на Пантеллерию для патрулирования и эскорта конвоев. Оставшиеся самолеты группы были собраны 17 октября в Гела (Gela), в то время как 369 эскадрилья была переведена в наиболее активную 2-ю истребительную группу, которая воевала с аэродромов Сицилии и Пантеллерии до весны 1943 года.
Эти передислокации следовали из-за ухудшающейся ситуации войск Оси на Севере Африке в конце 1942 года. Regia Aeronautica имела только 71 пригодный к эксплуатации самолет типа Re.2001, когда 10 июля 1943 года Союзники начали вторжение на Сицилию. Итальянские истребители несли высокие потери в воздухе и на земле. Боевые и небоевые потери уменьшили общее количество Re.2001 до 33 самолетов на момент заключения Италией перемирия 8 сентября 1943 года. Во 2-й истребительной группе осталось всего шесть самолетов, которые смогли улететь на материк.
Оставшиеся Re.2001 были сведены в южной Италии в 21-ю группу Союзнических Воздушных сил Италии (Co-Belligerent Air Force), которые сражались вместе с американцами и англичанами. Эти истребители приняли участие в нескольких операциях в октябре-ноябре 1943 года. 1 января 44-го года 21 группа был расформирована и техника передана 82-й, 208-й истребительным эскадрильям и 101-й группе пикирующих бомбардировщиков в Фодже. Группа позже перебазировалась в Лечче, где подключилась к боевым действиям против немцев на Балканском полуострове и довольно успешно.
В начале 1943 года Re 2001CN снискали себе успех в 41 полку ночных истребителей. Однако недостаточно мощное вооружение было малоэффективным против британских бомбардировщиков.
