В 1942 г. между армией и флотом США было заключено соглашение о передаче части самолетов сухопутных типов для морской авиации. С января 1943 г. начался выпуск модификации PBJ-1 для авиации ВМФ, отличавшейся от бомбардировщика В-25 оборудованием. Часть самолетов была оснащена РЛС и торпедной подвеской. Всего изготовлено 706 PBJ-1 разных вариантов.

Самолеты для флота немного отличались от армейских радиооборудованием. Машины, использовавшиеся для противолодочного патрулирования, часто оснащались РЛС, антенна которой располагалась под фюзеляжем на месте выпускной турели в обтекателе; в других случаях она монтировалась на законцовке правого крыла. Встречались и машины с обтекателем РЛС APS-3, выступавшим вперед из верхней части кабины бомбардира. Вооружение морских «Митчеллов» часто включало торпеды и глубинные бомбы.

Впервые армейские В-25 были привлечены для патрулирования у побережья США в декабре 1941 г. Морские PBJ-1 поступили на вооружение строевых частей в марте 1943 г.  Первую эскадрилью, VMB-413, сформировали на PBJ-1 (B-25B) на базе Черри-пойнт. Освоение новой техники представляло для морских летчиков существенные трудности, поскольку большинство из них никогда раньше не летало на двухмоторных самолетах. Однако период переучивания прошел достаточно успешно, и эскадрилью признали боеспособной.

Затем на той же базе в 1943-1944 гг. подготовили еще 15 флотских эскадрилий на "Митчеллах". Они занимались патрулированием прибрежных вод в Атлантике и на Тихом океане. Семь эскадрилий действовали непосредственно на фронте.

По маршруту через Гавайи их перебросили в южную часть Тихого океана. Первой вступила в бой эскадрилья VMB-413 подполковника Галатиана. В январе 1944 г. она прибыла на о. Эспириту-Санто. Оттуда самолеты начали летать на бомбежку Рабаула и Кавиенга - японских баз на о. Новая Британия. Первые вылеты совершали днем, под прикрытием истребителей. Затем дневные налеты стали перемежать с ночными, на которых эта часть впоследствии специализировалась. В этом же районе воевали еще три эскадрильи на PBJ. Их самолеты также использовали в основном как дневные и ночные бомбардировщики.

Эскадрилья VMB-612, получившая PBJ-1D с радиолокаторами APS-3, занималась борьбой с судоходством противника. Она действовала в районе островов Бонин, а затем у Иводзимы. Бомбами и торпедами ее самолеты уничтожали военные корабли и торговые суда японцев. Подобным образом работала VMB-614, летавшая с Мидуэя.

С переходом американцев в наступление на Тихоокеанском театре боевых действий PBJ стали применяться для поддержки десантных операций, атак позиций противника на побережье, ударов по портам и аэродромам.

"Митчеллы" приняли участие в боях на Сайпане и Иводзиме, а позднее - на Филиппинах и Окинаве.

Все PBJ-1 морской авиации базировались только на суше. Но один PBJ-1H оснастили катапультными захватами и посадочным гаком в порядке эксперимента. Этот самолет в ноябре 1944 г. проходил испытания на авианосце «Шангри Ла», в ходе которых взлетал с палубы и садился на нее.

Важной задачей для морских "Митчеллов" всегда была охота за торговыми судами японцев. В поисках их самолеты забирались к островам Тайвань и Хайнань и даже до северного побережья Китая. PBJ закончили войну у берегов самой Японии. Они атаковали суда в Цусимском проливе, у побережья Кореи, бомбили цели на Кюсю и Хонсю.

Вражеские суда топили торпедами, бомбами, но к концу войны все шире стали использоваться ракеты. Многие PBJ несли под крылом пятидюймовые неуправляемые ракеты HVAR, такие же, что применяли в ВВС. Но с июля 1945 г. к арсеналу морских летчиков добавились мощные 300-мм ракеты "Тини Тим". На специальный мост под фюзеляжем подвешивались две такие ракеты.

Но применить их в бою не успели. Боевые вылеты с ними стали совершать с 11 августа, когда война уже подходила к концу. Самолеты несколько раз поднимались в воздух, но не находили подходящих по размерам целей. А 14 августа Япония капитулировала.