Первый полет серийного образца Ка-15 был выполнен 14 апреля 1953 года летчиком-испытателем Дмитрием Ефремовым. Вертолет изначально разрабатывался для нужд морской авиации: как противолодочный вертолет, корабельный разведчик и связной. Испытания проводились НИИ-15 ВМФ на базе ОКБ-4 в Москве. Также испытания вертолета Ка-15 проходили на кораблях Черноморского флота.

Государственные испытания проходили в Феодосии с 15 апреля по 11 мая 1955 года. В 1956 году на авиационном заводе в Улан-Удэ начали серийное производство этих машин. Всего было построено 354 вертолета всех модификаций.

Начиная с 1957 года, Ка-15 начали поступать в строевые соединения ВМФ. Из-за малой грузоподъемности Ка-15 оказался неэффективен как противолодочный вертолет - мог брать на борт всего два гидроакустических буя для слежения за подводными лодками. При этом аппаратура управления находилась на втором вертолете, а средства уничтожения - на третьем. Помимо этого, эксплуатация Ка-15 на флоте сопровождалась многочисленными неполадками, указывающими на низкую надежность этой машины.

В июле 1960 года, один из Ка-15, принадлежащий 710-му отдельному вертолетному авиаполку, разбился из-за схлестывания лопастей после взлета с аэродрома Новонежино. В ноябре того-же года случай схлестывания повторился, но машину удалось посадить. Указанные два случая были не единственными. В мае 1963 года полеты Ка-15 в ВМФ запретили.

В Аэрофлоте и в ДОСААФ вертолеты находились в эксплуатации до начала 1970-х годов и применялись для подготовки курсантов наряду с Ми-1, для опыления посевов на сельскохозяйственных работах в регионах СССР с теплым климатом - в Молдавии и в Казахстане. Некоторое количество Ка-15 обслуживало рыболовецкие и китобойные флотилии, базируясь на борту рыболовецких судов.

В этой роли Ка-15 имел преимущества перед Ми-1 благодаря меньшим размерам и отсутствию длинной хвостовой балки с рулевым винтом. В 1959 году два вертолета Ка-15 были зачислены в состав Управления Полярной Авиации при ГУСМП и получили регистрационные номера СССР-Н-26 и СССР-Н-27. Испытательные полеты выполнялись с борта ледокола «Ермак» во время его нахождения в Мурманске. Зимой 1960 года вертолеты участвовали в промысловой экспедиции в Арктике, базируясь на борту флагманской шхуны «Чистополь».

Последние экземпляры Ка-15 и Ка-18 были списаны в Молдавском управлении гражданской авиации, сразу же после поступления первых серийных вертолетов Ка-26.