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.
