Самолет был изготовлен в варианте четырехместного легкого разведывательного бомбардировщика (эта версия получила обозначение Ca.331A). Весной 1941 года самолет был был передан на войсковые испытания  на которых он показал высокие летные и боевые характеристики.  Однако Regia Aeronautica отказались от серийного выпуска машины, мотивирую это тем, что "самолет имеет слишком необычную конструкцию". Кроме "необычной" конструкции самолет имел еще один большой недостаток в глазах руководства Regia Aeronautica - он использовал очень много дюралевых элементов, а дюралюминий поставлялся в основном из Германии.

Самолет был возвращен на завод фирмы Caproni, а затем передан в испытательный центр Люфтваффе в Рейхлине. Люфтваффе высоко оценила летные качества самолета и планировала заказать 1000 экземпляров в учебно-боевом варианте с двойным управлением под обозначением Ca.331G .

После первого прототипа самолета по заказу Regia Aeronautica был построен второй прототип самолета (MM.428) в версии ночного истребителя. Эта версия имела обозначение Ca.331B. После начала налетов авиации союзников в 1942 году Regia Aeronautica планировала заказать 1000 серийных Ca.331B. Но этот заказ остался только на бумаге. На практике же был построен лишь еще один прототип.

Первый прототип Ca.331B был испытан с полным вооружением лишь в августе 1943 года. Самолет планировалось использовать и как истребитель-бомбардировщик. Для этих целей на на самолет был создан бомбоотсек в котором могли разместиться бомбы общим весом до 1000 кг. Как вариант, при пустом бомбоотсеке Ca.331B мог нести одну 500 килограммовую бомбу и подвесной бак емкостью 616 литров.