24 ноября 1961 г. при проведении очередного испытательного полета, связанного с поочередным выключением и включением двигателей в полете, опытный самолет Бе-12 потерпел катастрофу и затонул в Азовском море.
Второй опытный самолет Бе-12 был построен только в сентябре 1962 г. В его конструкции были устранены недостатки, выявленные при испытаниях первой машины. Двигатели были установлены над крылом, применены новые, более широкие брызгоотражатели, была убрана палубная пушечная установка, расширен и обновлен состав радиоэлектронного и другого оборудования, консоли были установлены без противофлаттерных грузов, получив при этом большую жесткость.
В процессе испытаний второй машины были проведены и Другие доработки, повышающие надежность и удобство эксплуатации самолета. В частности, хвостовое колесо стало управляемым от педалей летчика, для повышения эффективности электропривод стеклоочистителей заменили на гидропривод, кильшайбы развернули на 2*. Но выходящий за нормы высокий уровень шума в кабинах летчиков и штурмана, расположенных вблизи зоны вращения воздушных винтов, существенно снижен не был. Государственные испытания были закончены 20 апреля 1965 г.
В процессе серийного строительства в самолет вносились улучшения, расширяющие его возможности. Для устранения разрушения покрышек колес при неосторожном торможении на высокой скорости были установлены антиюзовые устройства. Уже на первых серийных самолетах помимо системы централизованной заправки на земле (от обычных аэродромных заправщиков) устанавливалась система дозаправки самолета на плаву (от специальных судов-танкеров или подводных лодок-танкеров). На самолете Бе-12 узел дозаправки располагался в правой передней части лодки. Заправка топливом на плаву выполнялась при движении танкера и самолета в кильватере. С помощью троса, передаваемого с самолета на танкер, к самолету подтягивался бортовой лебедкой специальный шланг-буксир, который герметично стыковался с приемным устройством самолета. После перекачки топлива шланг-буксир отсоединялся от троса и выходил из приемного устройства. Процесс заправки топливом на плаву, начиная с подтяга шланга-буксира, был полностью механизирован.
Из многочисленных экспериментальных работ, выполненных на самолете-амфибии Бе-12 в целях изучения его возможностей, наиболее значительными являются работы по длительному базированию на воде самолета с экипажем, посадке в открытом море в ночное время и защите самолета от коррозии. Эти работы доказали возможность использования морского самолета ночью в открытом море, для многодневного боевого дежурства на воде и длительной эксплуатации в морской воде.