Организационно ИСУ-152 использовались в отдельных тяжелых самоходных полках (ОТСАП). Каждый полк имел на вооружении 21 самоходку в составе 4 батарей по 5 машин плюс одну командирскую. Частью они заменяли СУ-152 в уже существовавших подразделениях, частью (вместе с ИСУ-122) шли на формирование новых. Несмотря на одинаковую официально установленную тактику применения ИСУ-152 и ИСУ-122, их по возможности старались не смешивать в рядах одного полка, хотя были случаи наличия смешанного состава в нескольких частях. Всего было сформировано 53 ОТСАП.
Тяжелые САУ предназначались для разрушения полевых и долговременных фортификационных сооружений, борьбы с танками на дальних дистанциях, поддержки пехоты и танков в наступлении. Боевой опыт показал, что ИСУ-152 способны успешно решать все эти задачи. Выявилось и своеобразное "разделение труда" между ИСУ-152 и ИСУ-122: первые лучше подходили для штурмовых действий и борьбы с укреплениями, а последние - для истребления вражеской бронетехники. Хотя как было сказано выше, ИСУ-152 могла поражать любые типы танков и самоходок вермахта. Сами за себя говорят прозвища ИСУ-152: советское "Зверобой" и немецкое "Dosenoffner" (открыватель консервных банок). Солидное бронирование самоходки позволяло ей сближаться на огневые позиции, недоступные буксируемой артиллерии и поражать цель выстрелами прямой наводкой. ИСУ-152 обладала хорошей живучестью под огнем противника и ремонтопригодностью, отличной иллюстрацией этих качеств самоходки является страничка о боевых действиях в Заполярье на сайте Клуба военно-исторической реконструкции "4-ый егерский батальон финской армии".
Выявились в боях и слабые стороны ИСУ-152. Ограниченные углы горизонтальной наводки делали ее уязвимой к фланговым атакам. Меньший угол возвышения (20 градусов против 65 у буксируемого варианта) сужал возможности маневра огнем на больших дистанциях. Из-за использования выстрелов раздельного заряжания большой массы страдала скорострельность, что уменьшало эффективность применения самоходки против танков и в ближнем бою. Наконец, возимый запас в 20 выстрелов зачастую оказывался недостаточен в боевой обстановке, да и погрузка всего боекомплекта в закрытую боевую рубку была очень утомительной операцией, порой занимая время продолжительностью более 40 минут. Вполне очевидно, что все эти недостатки являются обратной стороной достоинств ИСУ-152. Большая эффективность огня гаубицы-пушки МЛ-20 обеспечивается именно тяжелыми крупнокалиберными снарядами раздельного заряжания. Размеры боевой рубки ограничивают их возимый боезапас и максимальный угол возвышения орудия. Добиться широкого угла горизонтального обстрела можно путем размещения орудия во вращающейся башне. В условиях войны, когда во главу угла ставились массовый выпуск и технологичность конструкции, было объективно невозможно выполнить все желаемые требования к тяжелой САУ. Даже после окончания войны потребовалось немало времени и усилий, чтобы получить самоходное орудие с надежной защитой, круговым обстрелом, высокой точностью, скорострельностью и дальнобойностью.
Однако, слабые стороны единичной самоходки ИСУ-152 опытные командиры компенсировали их коллективным использованием. При отражении танковых атак врага во избежание обхода с фланга часто практиковалось построение самоходок веером. При стрельбе с закрытых позиций к ним заранее доставлялись боеприпасы и пока часть самоходок вела огонь, другая перезаряжалась, что обеспечивало бесперебойный обстрел противника.
Но самую максимальную эффективность использования ИСУ-152 показали при штурмах укрепленных полос и городов. Мобильность, хорошее бронирование и огромная разрушительная сила 43-килограммового фугасного снаряда делали самоходку страшным врагом для окопавшегося противника. За проявленную доблесть при освобождении белорусских городов 8 ОТСАП получили их почетные наименования, а еще 3 были удостоены ордена Боевого Красного Знамени. В дальнейшем они использовались практически во всех штурмовых действиях Красной Армии. Немалая часть успеха во взятии Кенигсберга и Берлина принадлежит самоходчикам, воевавшим на ИСУ-152. Последние свои залпы во Второй Мировой войне они дали на другом конце евразийского континента в ходе операции по разгрому японской Квантунской армии.