A Palmdale, e non a Groom Lake, venne effettuato il giorno 22 dicembre 1964 il primo volo dell'SR-71, con Robert Gilliland ai comandi, a poco meno di due anni dall'ordinazione del primo lotto di sei macchine. Entrato in servizio il 7 gennaio 1966 l'SR-71 venne assegnato al 4200° Strategic Reconnaissance Wing sulla base dell'Air Force di Beale, in California; questa unità venne ridesignata 9° Strategic Reconnaissance Wing il 22 giugno di quell'anno.
Operando dalla base dell'Air Force di Kadena, a Okinawa, gli SR-71 si assunsero l'impegnativo compito della ricognizione in Estremo Oriente, compresa la zona di querra del Vietnam. La lunga associazione con questa base fece acquisire alla macchina il nomignolo di "HABU", a causa di una somiglianza con un serpente locale. Altri rischieramenti portarono l'HABU in Europa, e gli scali regolari sulla base della RAF di Mildenhall si trasformarono nel 1982 in un distaccamento ufficiale. Da lì due aerei volarono regolarmente lungo il perimetro sovietico, in aggiunta a missioni speciali sul Mediterraneo eusl Medio Oriente.
Com'era già accaduto per l'A-12, venne realizzata un aversione biposto da addestramento per agevolare il passaggio ai piloti a questo mostro da Mach 3. L'esemplare immatricolato 64-17956 venne costruito come SR-71B, con un secondo abitacolo rialzato e pinne ventrali. Impiegato parsimoniosamnete dal 9° SRW, questa macchina rimase in servizio per tutta la cariera del Balckbird.
Venne anche costrutito un secondo esemplare di SR-71B, che però andò perduto al Beale l'11 gennaio 1968, inducendo la Lockheed aprodurre un terzo esemplare. Noto come "Bastard", SR-71C venne costruito utilizzando la parte posteriore della fusoliera recuperata dell'YF-12A precipitato ad Edwards accoppiata a un tronco anteriore ricavato da un simulatore per studi tecnici. Questo esemplare, venne radiato dall'attività con poche ore di volo e utilizzato come fonte di pezzi di ricambio.