Самолет был изготовлен в варианте четырехместного легкого разведывательного бомбардировщика (эта версия получила обозначение Ca.331A) с обтекаемым прозрачным носом по типу "Хейнкеля" Не 111. Вооружение новейшего "Капрони" состояло из трех крупнокалиберных пулеметов SAFAT, двух в корне крыла и одного на верхней турели, а также - одного 7,7-мм пулемета в нижнем выдвижном гнезде. Бомбовая нагрузка - до 1000 кг..

Весной 1941 года самолет был был передан на войсковые испытания  на которых он показал высокие летные и боевые характеристики.  Однако Regia Aeronautica отказались от серийного выпуска машины, мотивирую это тем, что "самолет имеет слишком необычную конструкцию". Кроме "необычной" конструкции самолет имел еще один большой недостаток в глазах руководства Regia Aeronautica - он использовал очень много дюралевых элементов, а дюралюминий поставлялся в основном из Германии.

Самолет был возвращен на завод фирмы Caproni, а затем передан в испытательный центр Люфтваффе в Рейхлине. Люфтваффе высоко оценила летные качества самолета и планировала заказать 1000 экземпляров в учебно-боевом варианте с двойным управлением под обозначением Ca.331G .

После первого прототипа самолета по заказу Regia Aeronautica был построен второй прототип самолета (MM.428) в версии ночного истребителя с двигателями Delta RC.40 по 825 л.с, со ступенчатой кабиной, носовой батареей из шести SAFATOB и оборонительным вооружением из двух таких же стволов на верхней и нижней установках. .

Эта версия имела обозначение Ca.331B. После начала налетов авиации союзников в 1942 году Regia Aeronautica планировала заказать 1000 серийных Ca.331B. Но этот заказ остался только на бумаге. На практике же был построен лишь еще один прототип.

Первый прототип Ca.331B был испытан с полным вооружением лишь в августе 1943 года. Самолет планировалось использовать и как истребитель-бомбардировщик. Для этих целей на на самолет был создан бомбоотсек в котором могли разместиться бомбы общим весом до 1000 кг. Как вариант, при пустом бомбоотсеке Ca.331B мог нести одну 500 килограммовую бомбу и подвесной бак емкостью 616 литров.

В металле воплотились лишь два прототипа, оказавшиеся у немцев после оккупации севера Италии. Двухмоторные истребители  испытывались с различными комплектами наступательного вооружения. Са.331 В летали с парой 12,7-мм пулеметов и четырьмя 20-мм пушками Mauser или с шестью пушками Ikaria того же калибра в специальном подфюзеляжном контейнере.

Планировалось так же создать штурмовую версию с 37-мм пушкой и двигателями FIAT RA-1050 RC.58 "Tifone" (лицензионная версия немецкого Daimler-Benz DB 605A-1) и бомбардировщик с фугасом весом в тонну. Вместо боеприпасов на внутренней подвеске мог находиться дополнительный 516-литровый бензобак. Под крылом крепились две 100-кг бомбы или топливные баки. 

Планировалось, что максимальная скорость этого самолета составит 644 км/ч. В момент капитуляции Италии работы по изготовлению самолетов на заводах Caproni Bergamaschi в Понте Сан Петро шли полным ходом, для хранения готовых частей самолета был арендован даже целый стадион. Готовые прототипы самолета были вывезены в Германию, где их след потерялся.

Техническое описание

Ca.331B ночной истребитель; цельнометаллический двухмоторный трехместный низкоплан с крылом "обратная чайка".

Фюзеляж монокок с работающей обшивкой.

Металлическое кессонное крыло переменного профиля с работающей обшивкой.

Шасси убираюшиеся поворотом назад в мотогондолы двигателей с ручным управлением электрической или механической аварийных систем.

Хвостовое колесо поворотное, убирающееся.

Хвостовое оперение двухкилевое цельнометаллическое.

Кабины пилота и стрелка-радиста бронированные, самолет оснащен приемо-передающим радиооборудованием.

Стандартное приборное оборудование для определения параметров полета и управления двигателями.

Топливные баки: два основных в крыле и два дополнительных в фюзеляже.

Двигатели с металлическими трехлопастными винтами Piaggio с шагом, изменяемым в полете.

Вооружение состояло из 6 12,7-мм пулеметов Breda-SAFAT: 4 в носовой части и по одному в корневых частях консолей крыла с боезапасом 350 патронов на ствол. Оборонительный 12.7-мм Breda-SAFAT пулемет для защиты хвоста в турели Caproni-Lanciani Delta с боезапасом 500 патронов.

Фюзеляжный отсек для дополнительного бака или бомб, четыре пилона для внешних грузов.