1967年，即首飞整整5年后，A-12终于投入使用。然而此时，它最初的设计任务已经消失。在1960年击落弗朗西斯·加里·鲍尔斯和1962年击落鲁道夫·安德森之后，美国政府放弃了对苏联和古巴领土的载人飞行，因为政治风险太大。这项任务转而由CORONA间谍卫星承担，到1967年，这些卫星定期发回高质量的摄影情报。因此，A-12被重新用作战术侦察平台，用于在活跃的战区收集最新情报——例如当时在越南发生的冲突。
1967年，美国军方对北越从苏联获得大量中程地对地导弹的报告感到担忧，认为这些导弹可能用于攻击南越。为此，中情局发起了“黑盾行动”，以评估北越的导弹能力。1967年5月，三架A-12从古鲁姆湖飞往日本冲绳的嘉手纳空军基地，横跨太平洋仅用了5小时55分钟。该部队于5月30日宣布正式投入使用，次日，飞行员梅尔·沃伊沃迪奇执行了首次“黑盾行动”任务，他以3.1马赫的速度飞行，飞行高度达到24,000米，拍摄了一条近2公里长的胶片，覆盖了大部分北越和南北之间的非军事区。让五角大楼极为宽慰的是，这次及后续任务显示，北越并没有地对地导弹。
在接下来的7个月里，A-12执行了22次“黑盾行动”任务，拍摄了炮兵阵地、工厂、供应仓库、港口、雷达设施、战俘营以及其他战略目标。这些情报对于约翰逊总统批准对北越的大规模空袭至关重要。不过，尽管A-12拥有先进的隐身特性，但它经常被北越的搜索雷达探测到。自A-12设计以来，雷达技术已有显著进步，许多A-12的隐身特性在实际中作用有限。
A-12在黑盾行动中拍摄的河内军事设施图像
10月28日，一架A-12首次遭到攻击，但导弹未能锁定目标。两天后，飞行员丹尼·沙利文（Denny Sullivan）在河内上空险些被击中，当时北越的一个萨姆导弹发射基地向他发射了至少6枚导弹。他后来回忆道：
“突然一枚大号的'电话’擦着驾驶舱飞了过去，径直向上。我心想，这挺有趣的……然后我继续沿路线飞行，一路没看到什么，直到飞出一段距离后，我通过后视镜看到至少4条导弹尾迹，全部扩散开来，朝向我的机尾。我心想，'天呐，这些玩意儿飞得相当好。’我看着它们追上来……在我身后，非常接近，然后突然出现一个巨大的红色火球，紧跟着一团白色烟云——你立刻得拉开距离。你以每分钟41英里的速度飞行。这些萨姆导弹制导十分出色，做着完全相同的动作。”
虽然A-12的最高速度为3.2马赫，而苏联制造的S-75地对空导弹可达3.5马赫，不过，沙利文还是成功避开了这波攻击，安全返回嘉手纳基地。回到基地后，维修人员发现一枚导弹的碎片嵌在了靠近一个油箱的机翼上。这是A-12唯一一次在战斗中遭到武器损伤。
1968年1月23日，一艘朝鲜鱼雷艇袭击并俘获了在国际水域活动的美国海军间谍船“普韦布洛”号（USS Pueblo）。担心此事件会引发战争，中情局在事发三天后派遣杰克·威克斯（Jack Weeks）驾驶A-12执行了一次对朝鲜的侦察任务。这次以及后续的一次飞行显示，平壤并未动员其军队准备发动战争。因此，约翰逊总统取消了对朝鲜的惩罚性反击计划，转而通过外交的方式来解决，最终，在不到一年后，普韦布洛号的船员被释放。与此同时，又有五次“黑盾行动”任务飞越了北越和柬埔寨。
正当A-12开始展现其实战价值时，它的作战生涯却戛然而止。由于越南战争导致国防预算捉襟见肘，美国政府已经无法继续为A-12、YF-12和SR-71这三个非常相似的飞机项目提供资金支持。
随着与苏联关系的改善，北美空防的重要性降低，YF-12项目被取消。而1967年11月，美国空军发起了“好女孩行动”（Operation Nice Girl），即在A-12和SR-71之间进行正式的飞行对决，以确定哪种飞机是更优的侦察机。在三天的时间里，这两架竞争飞机飞行了从加利福尼亚到路易斯安那的相同航线，起飞时间相差一小时，执行包括拍摄指定目标和空中加油在内的各种任务。尽管结果没有定论，但由于SR-71拥有更先进的传感器系统和更长的航程，最终SR-71被宣告获胜。
其他因素也可能影响了这一决定，因为众所周知，美国空军对中情局的A-12项目心生嫉妒，希望将高速军事航空的控制权完全掌握在自己手中。无论如何，在仅仅服役10个月后，A-12退役，所有后续的“黑盾行动”任务均由SR-71执行。在生产的15架A-12中，3架执行了29次“黑盾行动”任务，6架因事故损毁，3名飞行员丧生。剩下的9架飞机被存放在加州的帕姆代尔，并在接下来的近20年里保持绝密状态。A-12项目在1981年解密后，这些飞机被移出机库分配到全美各地的博物馆，至今仍在那里展出。
A-12在黑盾行动中拍摄的河内军事设施图像
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