В ночь на 14.07.1943 лейтенант Бунтин, совершавший полет на ночном истребителе «Mosquito» Mk.XII, заметил в двух километрах от побережья Эссекса на высоте 3000 м выхлоп самолета. Противника удалось догнать через 15 мин уже на высоте 7000 м. После двухсекундной очереди самолет перевернулся и почти вертикально спикировал в море в пяти милях от Феликсстоу. Это был первый Ме.410А-1, сбитый над Британскими островами. Второй был сбит над Дюнкерком через две ночи другим «Mosquito» из 85-го эскадрона. Третий был сбит 29 июля в 30 км к югу от Бичи Хэд «Mosquito» из 256-го эскадрона. Все три сбитых самолета принадлежали 5-й группе 2-й бомбардировочной эскадры – первой группе, получившей Ме.410.
Ме.410 впервые появился над Британскими островами в июне 1943 года, а на вооружение поступил лишь несколькими месяцами раньше. Самолет оказался весьма сложным для перехвата даже для «Mosquito». Возможно во время войны ни один другой самолет не испытывался так тщательно, так как он «весьма» походил на своего предшественника Ме.210, бесславно закончившего свою карьеру год назад. Более того, для производства Ме.410 использовалось большинство оснастки предшественника. Схожость самолетов была таковой, что логично было бы даже сохранить название, но, учитывая скандал с первым вариантом самолета, его сохранение было признано «неполитичным».
Основные проблемы Ме.210 удалось преодолеть еще до официального решения остановить его производство. Hо важность данного проекта для люфтваффе была такова, что конструктора в Аугсбурге получили предложение продолжить доводку самолета. Рейхсминистерство Авиации также не сомневалось в возможности довести самолет и, присвоив ему обозначение Ме.410, потребовало как можно скорее начать его производство. В результате уже через девять месяцев после прекращения выпуска Ме.210 новый Ме.410 был выведен из цеха.
Конструкция Ме.410 практически не отличалась от предшественника, но сужение консолей было уменьшано за счет сокращения на 5° стреловидности консоли сразу за двигательными гондолами. Вновь были установлены предкрылки, геометрию закрылков и створок радиатора изменили. Была сохранена увеличенная по высоте хвостовая часть фюзеляжа по образцу последних Ме.210, а двигатели DB601F были заменены на DB603.
Ме.210А-0 (№ 027 DI+NW) был перевооружен на DB603А, получил новые хвостовую часть фюзеляжа и консоли. Под обозначением Ме.410-V1 он начал летные испытания осенью 1942 года. Перед этим испытывались пять Me.210A-1 (№ 2344 и № 2346-9) и один Ме.210A-2 (№ 2350), которые отличались от Ме.410 только сохранением двигателей DB601F. Один из модифицированных Me.210A-1 позже был поставлен японцам по германо-японскому соглашению об обмене технологией. Кроме того в программе испытаний Ме.410 было задействовано более двадцати опытных самолетов, некоторые из которых были переделками Me.210A (например, Ме.410-V22 был доработкой Me.210A-0 № 085), а другие были вновь построенными самолетами (например, Me.410-V18 № 10 115). Hа них в основном испытывалось вооружение и оборудование.
По сравнению с оригинальными Ме.210, управляемость Ме.410 была если не отличной, то вполне приемлемой. Самолет уже не демонстрировал своей наровистости. Более важно было то, что летные характеристики были заметно выше, чем у Bf.110. В результате в серию были запущены «schnellbomber» Ме.410А-1 и «охотник» Ме.410А-2. Первые пять самолетов были приняты люфтваффе в январе 1943 года.
Ме.410А-1 и А-2 были в целом подобны, оба имели две 20-мм пушки MG.151 и два 7,9-мм пулемета MG.17 вперед и оборонительное вооружение из двух 13-мм пулеметов MG.131 в дистанционно-управляемых боковых установках. Внутренний отсек на обоих самолетах вмещал одну 1000-кг бомбу, или две 500-кг или до восьми 50-кг. Правда, нормальной считалась нагрузка 500 кг. Ме.410А-1 были оснащены прицелом для бомбометания с пикирования «Stuwie-5B». Можно было также под корнем крыльев установить многозамковые держатели «Aussen» ЕТС на четыре 50-кг бомбы тандемом. Высшее командование люфтваффе особое внимание уделяло производству Ме.410А-1 в варианте  «schnellbomber», но были также разработаны два «набора заводской установки» для использования самолета в качестве разведчика или «охотника». Так Me.410A-1/U1 предусматривал установку одной фотокамеры Rb.20/30, Rb.50/30 или Rb.75/30 в центральной части фюзеляжа, а Me.410A-1/U2 предусматривал использование  «контейнера вооружения» – Wb.151 с парой 20-мм пушек MG.151 с 250 снарядами на ствол. Контейнер в последнем случае устанавливался на месте бомбоотсека.
К концу апреля 1943 года люфтваффе приняли 48 Ме.410А. В Лехфельде 5./KG.2 приступила к перевооружению с Do.217 на Me.410A-1. К 20 мая II/KG.2 имела 29 Ме.410А-1 и 17 Do.217E, но к июню группа вновь получила Do.217, а Ме.410А были сданы в специально сформированную V/KG.2, которая впервые и применила новый самолет над Британскими островами. Штаб V/KG.2 был сформирован на базе штаба II/KG.40, а ее эскадрильи (13-я, 14-я и 16-я) формировались на базе KG.40 и 101. В январе 1944 года V/KG.2 была переименована в II/KG.51. Во Франции к ней присоединилась I/KG.51, перевооруженная с Ju.88A-4 на Ме.410А-1 в конце лета 1943 года. Последняя группа стала боеспособной к сентябрю. С мая 1943 года III/ZG.1 в Тунисе стала заменять свои Ме.210А на Ме.410А-1/U2, а 2.(F)/122 на Сардинии получила Me.410A-1/U1.
К заводу в Аугсбурге, который до конца 1943 года сдал 457 Ме.410А, присоединился завод Dornier. Первый Ме.410 был собран на Dornier еще в декабре 1943 года, но производство разворачивалось медленно, и следующие 11 Ме.410 были сданы только в феврале 1944 года. К этому времени было разработано множество «наборов» полевой и заводской установки, включая и вариант с 50-мм пушкой ВК-5 («заводской набор» U4), которая предназначалась для использования против бомбардировщиков. ВК-5 выполнялась вместе с магазином на 21 снаряд. Впервые пушка была поставлена на Ме.210А-0 (№ 023) в мастерской Люфтганзы в Штаакене в начале августа 1943 года. До того самолет был переделан в опытный Ме.410-V2. Из Штаакена самолет был переведен в Тарневице для огневых испытаний.
Успех отстрела BK-5 в Тарневице привел к решению установить ее на нескольких Me.410A-1 для войсковых испытаний в 25-й испытательной команде, которая формировалась в Виттмюндгафене для обкатки новых самолетов. Если Me.410-V2 сохранил обычное наступательное вооружение из пары MG.151 и двух пулеметов MG.17, то Me.410A-1/U4, поступившие в 25-ю испытательную команду, получили только одну BK-5, использующуюся вместе с прицелом ZFR.4A. Hекоторый успех такой пушки против бомбардировщиков позволил поставить ее на несколько Me.410A-2 прямо на сборочной линии. Эти самолеты получили обозначение Me.410A-2/U4, но они сохранили две пушки MG.151 и два пулемета MG.17. В конце лета 1943 года Me.410A-2/U4 были поставлены в II/ZG.26 (бывшая III/ZG.1, использовавшая Me.210А-2 в Северной Африке). II/ZG.26 записала на свой счет довольно большое число побед над американскими бомбардировщиками, но 13.05.1944 соединение Ме.410 из этой группы во время перехвата было атаковано истребителями эскорта P-51D и понесло такие тяжелые потери, что было переформировано в II/JG.6 уже на FW.190.
Малая эффективность разведчика Me.410A-1/U1 привела к разработке специализированного самолета с усиленным фотооборудованием – Me.410A-3. В нижней части носа фюзеляжа был установлен обтекатель с двумя фотокамерами Rb.20/30, Rb.50/30 или Rb.75/30 так, что они занимали место бывшего отсека вооружений. Два носовых пулемета MG.17 были сняты. К началу 1944 года Me.410A-3 поступили на вооружение 1.(F)/121 в Орли, позже переведенной в Тусис-ле-Бук, а потом в 1.(F)/122, находящейся в Варшаве в составе 6-го воздушного флота, а также штаб 1-ой разведывательной группы и 3.(F)/122 в Риге.
К 1944 года Ме.410 получили в войсках прозвище «Hornisse» («шмель»). Это название явилось результатом широко рекламируемой боевой деятельности II/ZG.26, известной как «Hornissegeschwager».

С апреля 1944 года на двух сборочных линиях Ме.410А был заменен на Ме.410В, который конструкционно походил на предшественника, а отличался двигателями DB603G с увеличенным наддувом и степенью сжатия, развивавшими на взлете 1900 л.с. при 2700 мин^–1. Me.410B-1 и B-2 были соответственно «schnellbomber» и «охотником». Me.410B-1/U2 и U4 несли «наборы» вооружений аналогичные модификации А-1. Me.410B-2/U2 имели также WB.151 с парой 20-мм пушек MG.151, а на Me.410B-2/U4 – 50-мм пушку с заменой обычного наступательного вооружения на две 30-мм пушки MK-103. В люфтваффе было поставлено до сотни «наборов» с одной пушкой ВК-5 и парой МК-103. Они ставились на Me.410B-2 в передовых частях технического обслуживания.
В качестве альтернативы WB-151 для борьбы с бомбардировщиками были подготовлены еще несколько «наборов полевой установки», включая R2 с WB-108 (пара 30-мм пушек МК-108), R3 с WB-103 (пара 30-мм пушек МК-103) и R5 с четыремя 20-мм пушками MG.151 – любой из них мог ставиться на место WB-151. Их использование обозначалось соответственно Me.410B-2/U2/R2, R3 и R5. Кроме того на фронте использовался «набор» R4 из «waffentropen-151» – внешний контейнер с двумя 20-мм пушками MG.151, который ставился вместе с WB-151.
Hа Ме.410 испытывались и другие образцы вооружения, включая 37-мм пушку ВК-3,7, которая в апреле 1944 года была установлена вместо ВК-5 на несколько самолетов, но ранее на Ме.410А-1 было испытано и более экзотическое оружие. В январе 1944 года на самолете в Рехлине была установлена револьверная, вращающаяся пусковая установка для 21-см ракет. Одна из пусковых установок выступала за контур фюзеляжа. За счет быстрого поворота барабана все шесть ракет можно было выпустить за один заход. Первые стрельбы были проведены 03.02.1944, но оказались неудачными – планер получил серьезные повреждения. Правда, доводка этого образца продолжилась. Ее удалось поставить еще на нескольких самолетах для проведения войсковых испытаний.
К 08.05.1944 вышел приказ верховного командования люфтваффе о переоборудовании всех бомбардировщиков Me.410A-1 и В-1 в истребители A-1/U2 и B-1/U2, правда, реально Ме.410 в качестве бомбардировщиков использовали только I и II/KG.51 в составе IX воздушного корпуса. Как следствие по этому приказу переоборудование прошли только несколько Ме.410, а KG.51 вообще в конце лета сменила их на Ме.262. Кроме поступления небольшого числа Me.410 в группу «ночников» I/NJG.1 в апреле и I/NJG.5 в мае, самолет в основном использовался в разведывательных группах и в группах  «охотников». Первые получали и Me.410B-3, которые отличались от А-3 только двигателями. Весной 1944 года I/ZG.1, переформированная на Ме.410, была перемещена во Францию в состав X воздушного корпуса. С аэродрома в Лорене группа использовала Ме.410 для удара по кораблям противника. I/ZG.1 также успела получить до вывода в Германию и Me.410B-6, которые имели поисковый локатор «Hohentwil» FuG.200 и WB-103, а 7,9-мм пулеметы были заменены на 13-мм MG.131.
В течение лета и осени 1944 года Ме.410 использовались в эскадрах «охотников»» ZG.1, 26 и 76, главной целью которых стала защита неба над Германией. Хотя они были хороши против американских дневных бомбардировщиков, против истребителей эскорта P-51 «Mustang» у них не было никаких шансов. Число Ме.410 довольно быстро сократилось в два раза. С сентября 1944 года этот процесс пошел еще быстрее – была принята «программа ускоренного выпуска истребителей», и производство Ме.410 было прекращено. Всего за год было поставлено 702 самолета, из которых 258 выпустила «Dornier». Это довело общее число Ме.410, включая переделанные из Ме.210, до 1160. К концу 1944 году кроме IV/ZG.26, оставшейся в Норвегии, практически все Ме.410 находились в составе разведывательных эскадрилий.
К моменту прекращения производства, и как следствие прекращения дальнейшего развития серии В, активно работали над вариантом бомбардировщика-торпедоносца Me.410B-5, который успели испытать. Самолет имел локатор FuG.200 и наступательное вооружение из пары 20-мм пушек MG.151. Ме.410В-5 был предназначен для использования различных вариантов «торпедо-бомбового вооружения» (BT-Korper). Для увеличения дальности полета боковые установки FDSL могли сниматься, а вместо них в бомбоотсек ставился дополнительный топливный бак на 650 л. Вся боевая нагрузка подвешивалась снаружи – две 400-кг бомбы BT-400 под фюзеляжем или там же две 200-кг BT-200 и четыре BT-200 под консолями. Можно было подвесить и 1800-кг торпеду SC.1800 (бак в отсеке при этом снимался), 900-кг торпеда LT-5b или 760-кг LT-5i.
Hа Me.410A испытывались и другие варианты вооружения, предназначенные для Me.410B-5, включая 800-кг бомбу SB.800 RS «Kurt» (испытания которой проводились в Померании летом 1944 года), специально спроектированную 1000-кг бомбу SB.1000/400 с корпусом большого удлинения для снижения воздушного сопротивления (стабилизация при сбросе осуществлялась парашютом), а также планирующую торпеду L-10 «Fridensengel» (LT-950). Эта 950-кг торпеда представляла собой настоящий планер с подвеской обычной торпеды, к которому на 10 метровом тросе крепился специальный датчик («самолетик»). После сброса с носителя «Fridensengel» планировал к цели. В момент, когда «самолетик» цеплялся за воду, торпеда сбрасывалась, чем обеспечивался правильный угол ее входа в воду. Испытания проводились на Me.410A в течение 1944 года с отличными результатами.
В серию также не попали Me.410B-7 и В-8 – дневной и ночной разведчики с обычным вооружением. Последний должен был нести в бомбоотсеке осветительные бомбы.