美国空军订购了100架B-1B，为此罗克韦尔在帕姆代尔建造了新厂房。总体上B-1B项目没有超时和超预算。第一架B-1B（82-0001）大部分由手工组装，并使用了给第5架B-1A准备的零件。1984年9月4日飞机下线，10月18日首飞，乘员是罗克韦尔试飞员M·L·埃文森，L·B·施罗德中校、D·E·汉米尔顿上尉、S·A·亨利少校。第一次试飞飞共持续3小时20分，随后降落在加州爱德华兹空军基地。1985年7月7日第二架飞机交付。在首飞后仅8个月，B-1B就被宣布可以交付战略空军司令部（SAC）。

最初B-1B都装备了SAC。1991年9月1日所有SACB-1B联队的名称从“轰炸机联队，重型”简化为“联队”，反映出SAC联队同时装备轰炸机和加油机的事实，所有B-1B中队的名称也从“轰炸中队，重型”简化为“轰炸中队”。随着冷战的结束，所有美国空军的轰炸机自1991年9月27日起开始停止核警报任务。1992年6月1日SAC解散，轰炸机部队全部移交给空战司令部（ACC）。ACC是SAC和战术空军司令部（TAC）的融合，负责操作美国空军的所有轰炸机和美国本土基地的战斗机、攻击机、侦察机以及战斗救援飞机。空中加油机和运输机被划给个空中机动司令部（AMC）。

由于迫切的核威胁不复存在，美国空军的B-1B开始了多阶段常规任务升级项目（CMUP），以提高B-1B的常规任务和生存能力。在CMUP中，所有之前的B-1B都被定义成为核任务优化的“BlockA”。项目的第一阶段（BlockB）引入改进型合成孔径雷达和改进型AN/ALQ-161ADAS系统，降低了虚警率并改善了系统的整体可靠性。下一阶段是BlockC，赋予B-1B挂载各种集束炸弹（CBU）的能力，50架B-1B的炸弹模块经过改装后具有10个炸弹挂架，可挂载10枚454千克的CBU，每个弹舱内可安装一个模块。B-1B重新布置弹舱后还可挂载常规空射巡航导弹（CALCM），但这违反了第二阶段核裁军条约（STARTII）。

B-1A的机身十分修长，前机身布置4座座舱，尾部安装有巨大的后掠垂尾，垂尾根部的背鳍一直向前延伸至机身中部。全动平尾安装在垂尾下方，位置较高。B-1A的机身中段向内翼段平滑过渡形成翼身融合，可增升减阻。另外机身的设计还注重降低雷达截面积（RCS），以降低被敌防空系统发现的概率。为了兼顾高速性能和良好的低速起降性能，该型改用了可变后掠翼设计。这使B-1A可在无法部署B-52的机场起降。外翼段固定在横贯机身的翼身承力盒两端的转轴上，机翼上安装了全展长前缘缝翼和后缘开缝襟翼，没有副翼，横滚控制通过机翼上方的一排扰流板进行，与差动平尾联动。

B-1B的机身在外观上与B-1A相似，但显著加强了结构，重量增加到37,195千克。双轮前起落架有液压转向装置，向前收入机鼻下方的起落架舱中。主起落架安装在机腹下方发动机短舱之间，采用4轮小车形轮胎，向上收入机身。

与B-1A相同，B-1B结构的核心是机翼承力组件，几乎全部使用6AI-4V钛合金制造。固定内翼段与机身中段平滑过渡，翼套大型整流罩使用玻璃纤维制造。固定内翼段并没有采用明显的翼型剖面，高度后掠的前缘很钝以容纳电子对抗系统的各种天线。翼套产生升力占总升力的很大比重，在机翼以最大后掠角飞行时更加突出。B-1A机翼前掠时与翼套之间的空隙可被复杂的口盖系统密封，机翼后掠时口盖抬起以容纳机翼。B-1B简化了该系统，翼套两侧外缘下片固定，铰链上片可上下调整高度，两者之间有柔性密封口盖，机翼后掠时翼根容纳入盖板之间。

可变后掠角的外翼段变化范围为15度—67度，机翼为双翼梁结构，使用传统铝合金制造，机翼结构内部密封作为油箱。机翼后缘根部被切掉以避免最大后掠时与翼套之间的干涉，而在图-160上，这部分在机翼最大后掠时向上翻折90度作为垂直安定面使用。每侧机翼后缘都有6组独立的富勒襟翼，从翼根被切出一直排列到距翼尖3.96米。尽管每个襟翼都有单独的液压机构，但相互之间都有机械连接以一同动作。机翼前缘有全展长缝翼，分为7段。机翼上表面就在外侧4片襟翼前方有一组4片扰流板，每片扰流板的长度都与后面的襟翼相同，弦长也近似。扰流板配合差动平尾一起控制飞机的滚转，每侧机翼最内侧的两片扰流板间通过机械连接，可作为减速板使用，外侧两片扰流板在飞行中可由线传飞控系统自动控制。在降落滑跑时所有扰流板可抬起以降低机翼升力。

B-1A的发动机是4台F101-GE-00涡扇发动机，安装在翼根下方的两个双联短舱中。短舱靠近飞机重心以增强低空穿越乱流时的稳定性。短舱之间的间距较大，主起落架组件布置在短舱之间，向上收入机腹。为了达到2马赫的最大速度，B-1A采用了可调进气口和尾喷管。计划安装8个整体油箱，两侧机翼内各一个，其余在机身中，载油量68,039千克。

B-1B安装4台带加力的F101-GE-102涡扇发动机，每台最大推力7,711千克，加力推力13,961千克，发动机重量为1814千克，推重比7.7。F101的旁通比约为2，安装在B-1B翼根下方的双联发动机短舱中，尾喷口有12片被称为“火鸡羽毛”的整流片，但在实际使用中“火鸡羽毛”被拆除以减重并降低维护复杂性。由于取消了B-1A的2马赫的速度要求，所以B-1B改用固定进气道，双联发动机短舱斜切进气口背靠背面向两侧，进气口内有一组挡板来折射雷达波，防止直接照射发动机风扇叶片。　最初军方期望该型在低空能达到1.2马赫的速度，这需要在机身结构的关键部位采用钛合金而不是铝合金。后来把要求降低到0.85马赫后，可以最大限度地使用铝合金材料，从而降低总成本。

B-1B有7个独立的油箱，4个在机身内部，一个在承力翼盒中，机翼内各有一个，总容积112,635升。另外在三个弹舱内还可挂载桶形副油箱，同时在风挡前方还有标准的空中加油接口。与B-1A一样，B-1B有3个弹舱，一个在主起落架舱后的后机身，紧邻发动机舱；其余两个在主起落架舱前方的前机身。B-1A的3个弹舱每个长度5.49米，被设计用于挂载最早的ALCM——波音AGM-86A。而B-1A项目被终止后，波音开始研制航程加大的AGM-86B，长度有6.32米，所以B-1B的弹舱需要进行重新设计。

为了减少改动量，B-1B的后弹舱维持5.49米的长度，两个前弹舱在挂载AGM-86B时可连为一体，平时仍通过一个隔板隔成两个弹舱。理论上B-1B可安装外置武器挂架，每个弹舱舱门外侧可安装一对双联挂架，另外在中部弹舱挂架外侧还可安装一对单挂架，共可外挂14件战略武器，但是挂架很少使用。在战略武器限制条约/削减战略武器条约（SALT/START）中，不能外挂超过12件的核武器。而且外挂武器会大大降低飞机的性能，所以B-1B在服役中不使用外部挂架。

B-1A并没有安装自卫武器的计划，依赖低空性能和电子对抗设备来避免遭受截击。生产型计划安装完善的电子设备，包括利顿LN-15惯导系统、多普勒雷达高度计、休斯前视红外系统、GEAPQ-114前视雷达和德州仪器APQ-146地形跟踪雷达。

B-1B具有复杂的航电系统，包括自动飞行控制系统，负责导航、武器管理和投放的进攻性航电系统（OAS）、以及防御性航电系统（DAS）。OAS是数字可编程系统，可在飞行中按任务要求重新规划。OAS具备不借助任何光学和激光瞄准系统的传统炸弹的精确投放能力。OAS的关键部分是其雷达系统，并没有单独的地形跟踪雷达，被并入主攻击雷达系统的一个独立的模式。B-1B安装一台单天线的威斯汀豪斯APQ-164雷达，雷达发展自F-16的APQ-66，采用一个相控阵天线，呈一定倾角以把敌方雷达波向下反射，有11种模式。

在垂尾前缘安装有ARC-190HF无线电的嵌入天线，耦合器安装在垂尾与机脊的交界处。ARC-171UHF无线电的小型刀状天线安装在机背，另外在每个发动机短舱前下方还各有一个天线。副驾驶负责操作KingKY-58保密语音视距无线电。B-1B在后期加装了ASC-19卫星接收机，其天线安装在座舱后上方。APX-101A敌我识别器（IFF）共享UHF-2在机背和左发动机舱下方的天线。DAS系统是专门设计用来探测敌雷达或导弹威胁的综合电子对抗套件，通过采取相应的对抗措施来保护飞机的安全，包括电子干扰或释放箔条和红外干扰弹等手段。DAS由4个子系统组成：无线电频率监视/电子对抗系统、尾部告警系统、防御管理系统、以及负责释放箔条和红外干扰弹的消耗性对抗系统，但B-1B也没有防御武器。

DAS还包括在尾锥末端的一台自动脉冲多普勒雷达，用于探测从后方接近的敌导弹和飞机，一旦探测到目标，护尾雷达会向DSO发出信号，并向每个乘员都发出警告音。该雷达还可按优先级排列多个威胁信号，由DSO决定采取哪种行动，可以是发射箔条/红外干扰弹，或进行规避机动。垂尾顶部后缘安装有AN/ALQ-161A接收机，负责6、7、8波段，后方就是高亮度频闪灯。尾部告警天线安装在垂尾/平尾连接处整流罩末端。

B-1A乘员4人：飞行员、副驾驶、攻击系统官（OSO）和防御系统官（DSO）。乘员逃生系统借鉴了F-111的逃生舱设计，在紧急情况下，容纳4名乘员的逃生舱可从飞机上整体分离并通过翼面和扰流片来保持方向和稳定性，随后火箭发动机点火将逃生舱推离飞机，然后展开具有3个降落伞的逃生舱携乘员安全降落，降落后逃生舱还可作为乘员的庇护所。

B-1B同样采用四人制乘员：飞行员、副驾驶、防御系统官（DSO）和攻击系统官（OSO）。飞行员和副驾驶的并列座椅在大型大倾角的双片风挡后，风挡可满足严苛的鸟撞规格。飞行员和副驾驶都有战斗机风格的操纵杆和油门。DSO和OSO并排坐在后方，与B-1A不同，B-1B的后座乘员各有一个舷窗。乘员通过前起落架后方的带伸缩登机梯的舱门进入座舱。4名成员都配备韦伯ACESII弹射座椅，取代了头三架B-1A上的逃生舱，每个座椅内都有包括救生筏和无线电信标在内的救生套件。在训练任务中座舱内还可安排两名坐在固定折叠小座位上的教官，在紧急情况时，教官需要抛掉舱门和登机梯，并放下前起落架，头朝下穿过座舱入口才能跳伞。但该系统并不是很可靠，在1987年9月28日导致了两名教官的死亡。这次事故后，美国空军限制B-1B在包括低空飞行的任何任务中乘员都是4名，教官需要替换其他乘员。

沙漠之狐行动

1998年12月16日在沙漠之狐行动中B-1B首次参战。由于伊拉克拒绝与联合国武器核查人员合作，美国派出一支远征军来报复伊拉克。第7轰炸联队第9中队和第28联队第37中队的两架B-1B从波斯湾沿岸的阿曼起飞，轰炸了伊拉克西北阿尔库特兵营内的几个目标，第二天B-1B又执行了两次任务。在这些任务中每架B-1B都挂载了30,164千克的Mk-82炸弹，前部和中部弹舱的常规武器模块上有28个炸弹挂架，后部弹舱有20个炸弹挂架。

盟军部队行动

科索沃战争北约轰炸南联盟的盟军（Operation Allied Force”行动中，南达科塔州埃尔斯沃斯AFB第28轰炸联队的5架B-1B（第77中队4架，第37中队1架）被部署到费尔福德英国空军基地进行支援。这些飞机都完成了最新的CMUP升级，安装了雷声AN/ALE-50光纤拖曳干扰机和诱饵，还能挂载24枚JDAM，但当时JDAM仅允许B-2A“幽灵”挂载。1999年4月1日开始执行任务，到5月17日B-1B机队执行了超过60架次的作战任务，出动率100%，一次典型的任务持续7—8小时，通常每架飞机挂载84枚Mk-82炸弹。

持久自由行动

911事件后，美国针对阿富汗塔利班武装和基地组织发动了持久自由军事行动。在战争初期，第28轰炸联队的8架B-1B作为第28空中远征联队部署到印度洋上的迪戈加西亚岛。2001年12月中旬，B-1B又从迪戈加西亚岛转场到阿曼的苏姆莱特空军基地。从2001年10月7日作战行动开始到美军占领坎大哈（塔利班的基地）两个月的时间里，B-52H和B-1B执行了美军10%的空中攻击任务，投放了11,500枚武器。实际上，B-1B任务架次只占美军飞机架次的5%，却投放了近40%的弹药。

韩美联合军演

当地时间2022年11月5日，据韩国联合参谋本部消息，当天美军战略轰炸机B-1B自2017年12月以后首次飞抵朝鲜半岛，参与美韩大规模空中联合演习。

当地时间2024年6月5日，韩美空军进行联合空中训练，美国B-1B轰炸机时隔7年再次在朝鲜半岛进行联合制导攻击武器实弹演习。

巴以冲突

当地时间10月31日报道，两架美国空军B-1B轰炸机当天降落在土耳其因吉尔利克空军基地。

失事事故

1984年8月29日，B-1A实验型（序列号74-0159），在执行低空速度测试时失速坠毁。乘员使用逃生舱脱离轰炸机，但降落伞操作不当，导致飞机上的乘员两死两伤；

新时代网络中心战实时而分散的作战特性，奠定了B-1轰炸机的地位，使美国国会强烈要求将全部的B-1B轰炸机恢复待命。但B-1B强大的火力却让美国空军认为不需要太多飞机，2003年开始将总架数进一步缩减到60架，其中只有36架值勤。

虽然B-1B的先进雷达提供了移动与固定目标的瞄准能力，不过在近距支援任务中，仍须要具有高分辨率光电吊舱的战斗机在轰炸前进行目标确认。B-1B已经进行了Sniper XR瞄准吊舱的外挂测试，能够协助自己的雷达进行目标确认。B-1B数量削减后的传统任务升级计划（Conventional Mission Upgrade Program, CMUP）旨在强化B-1B轰炸机在执行传统任务时的作战效率。借由软件和硬件的持续升级，B-1B轰炸机将逐阶段适应使用传统武器的现代战场。