XB-52后来经历了Model 464、Model 464-16、Model 464-17、Model 464-29、Model 464-35、Model 464-40等方案，美国空军对其均不满意。但第一次柏林封锁危机使美军蒙受来自苏联威胁的庞大压力，加紧了对波音XB-52的设计工作，1950年2月，李梅将军在空军参谋部要求资深官员会议批准使用Model 464-67替代Model 464-49。1950年3月24日，会议核准了这一决定，但没有做出批准投产的承诺。延至1951年，美国空军终于承诺由波音生产B-52战略轰炸机。

此时，美军和其盟友正在朝鲜战场和朝鲜人民军及中国人民志愿军在38线范围展开激烈战斗。虽然苏联没有直接参战，但冷战两大阵营的关系仍转趋恶化。鉴于国际最新形势发展，李梅将军坚决赞成用B-52完成战略轰炸机部队的更新换代。1951年1月9日，美国空军参谋长霍伊特·范登堡将军（Gen. Hoyt Vandenberg）正式批准用B-52取代B-36，并于2月14日签署了第一份量产合约，要求波音飞机公司生产首批13架B-52A型战略轰炸机（生产序号52-0001/0013）。

B-52细长的直筒形机身在在尾部逐渐收细，采用传统的全金属半硬壳设计。机身结构挠度很大，停机时首尾下垂约25毫米，致使蒙皮出现斜向皱纹。另外一种说法是加压舱段反复的增减压循环导致蒙皮出现皱褶，但这并不能解释机身中段非加压段的明显皱褶。机身横截面大致呈矩形，边角采用圆弧过渡以保证空气动力外型光顺。B-47机则呈卵形，且机身中段有轻微的弧形过渡。相比之下B-52的机身要更便于加工制造和控制公差，并且矩形截面机身还能提高弹舱的有效容积。

后掠35度的上单翼具有6度的下反角，能够防止飞机在起飞时旋转。翼展185英尺，面积达到4000平方英尺。机身中轴线上相对厚度16.2%，翼展25%处为10.3%，翼展57%处为9.4%，翼尖仅有8%。随翼展延伸有翼型变化，翼根处为NACA64系列，翼尖为NACA66系列。机翼结构充分具有弹性，翼尖可以向上弯曲6.7米、向下弯曲3米而无解体之虞。地面空载时，机翼高度足够使支撑轮离地；而装满燃料时，翼尖高度降低达2.74米之多。翼下有足够净空高度，机翼内侧为挂载大型空地武器提供了宽裕的空间和强大的承载力，也使B-52能够充当航空抛投试验的优良平台。

XB-52和YB-52都安装8台普惠YJ57-P-3轴流涡轮喷气发动机，单台推力38.7千牛（3950公斤/8700磅）。8台引擎分4组安装在发动机短舱内，短舱依靠悬臂吊挂在翼下，突出于机翼前缘。内外短舱距离中心线分别为10.4米和18.29米。发动机前伸使机翼剖面重心前移起到防颤振配重作用，提高了机翼颤振临界速度，还能方便设置后缘增升装置。发动机重力使机翼飞行载荷减少了10-15%。吊臂还能充当翼刀，有助于推迟失速并提供横向稳定。在垂尾严重受损的个案中B-52仍能安全返航，这与吊臂提供额外的垂直安定面积不无关系。

相比当时同样流行的翼根发动机布局，两者在阻力方面区别不大。但后者通常会加大翼根弦长，造成展弦比减少使升阻比降低。发动机吊舱布局缩短了进气道长度，总压损失小，这对于当时推力有限的喷气发动机很有现实意义，而且便于维护保养。同时减小了引擎火灾和叶片断裂直接威胁弹舱和主油箱的机会，还为机身内设置大型弹舱腾出了有效空间，由于省去了防火隔壁也相应降低了结构重量。

大量内部空间用于设置油箱，翼身载油量合计147120升。为避免飞行中机身弯曲造成的渗漏，使用了软燃料囊而非整体油箱，燃料配平由副驾驶手动完成。弹舱差不多占据了主起落架间整个机身下部空间，8.5米长1.8米宽，横截面基本呈矩形，内部显得十分简洁。平整的弹舱天花板同时也是油箱地板，两侧设有加强筋以提高整体结构强度。液压对开弹舱门被设计成上下两段，其中下面板为三段设计。收起上面板可以提供额外的净空高度方便装载卸弹药，缺点是结构相对复杂。

在装备B61和B83系列之前，B-52主要装备Mk28、Mk39、Mk43、Mk53、B57等多种核炸弹。由于弹舱小于B-36，特别是高度不够，威力巨大的Mk17核弹直径过于粗大，无法由B-52携带。Mk28是B-52的主战装备，在弹舱内特制的双层挂架上可以密集携带4枚，分两层各并列放置2枚Mk28。Mk39基本上是“红翼鸫”核试爆中B-52投掷的Mk15核弹的减速伞型，为适应B-52弹舱尾翼可以折叠。Mk53（B53）是专门供B-52弹舱内挂而设计的，可以在弹舱内携带2枚。Mk53属于战略核炸弹，当量达到1000万吨，分为所谓“脏弹”（两级热核武器，即三相弹）和“干净弹”两个系列。

为增强突防能力，B-52装备了美国第一种战略空地导弹AGM-28“大猎犬”（Hound Dog）巡航导弹。配备400万吨级的W28核战斗部的“大猎犬”尺寸巨大，只能挂在内侧机翼下的PY-1发射架上。最大速度为M2.1，高空最大射程700海里，低空下降到200海里。AGM-28A采用惯性制导，CEP只有900-1800m。AGM-28B采用惯性加被动雷达制导，CEP提高到300-500m用来攻击苏联预警指挥雷达，从而在严密的防空体系上打开缺口。PY-1发射架前部整流罩内装有KS-120或KS-140天文导航系统，配合机上的其他电子设备向导弹提供惯性导航信息。

B-52B是第一种批生产型，由B-52A改进而成。1955年6月开始装备部队，乘员8名，共生产50架。改装J57-P-19W发动机，最大起飞重量190500公斤，能执行核轰炸和常规轰炸任务，也能进行照相侦察。在弹舱内可挂照相机和电子侦察短舱。其载弹量与A型相同，装备有MA-6A轰炸/导航系统。尾部炮塔系统包括A-3A火力控制系统和2门20mm机炮；或MD-5火力控制系统和4挺12.7mm机枪。并装备有AN/ALR-18和AN/APR-25等ECM接收机、AN/ALT-16ECM发射机以及AN/ALE-25箔条布洒器等电子干扰设备。

B-52C是B-52B的改进型，结构相同，但改装J57-P-29发动机。1956年3月试飞，6月装备部队，共生产35架。副油箱的容量加大，每个可装5675升燃油，飞机总重增至204000公斤。乘员改为6人。载弹量与A型相同，轰炸导航系统为AN/ASQ-48。尾部炮塔系统包括MD-5火力控制系统和4挺12.7mm机枪。

B-52D是C的改进型。共生产170架，1956年12月开始装备部队。弹舱内可挂侦察短舱。航程和重量增加，乘员6人。为了继续服役，1977年做了结构延寿，并装了新型电子设备。大批B-52D型的服役使美空军有了可靠的、全面的对苏战略核轰炸能力。起初其攻击武器与A型相同，1959年和1960年在D型飞机上先后进行了改装AGM-28“大猎犬”导弹和ADM-20“鹌鹑”诱惑导弹的研制工作。1968年，在D型上又进行了改装高密度挂弹架(HDM)的研制工作。改装后常规炸弹的最大载弹量达27210公斤。其攻击航空电子系统中，除D型的轰炸导航系统外还增加了导弹控制设备。

B-52E改进了投弹、导航和电子设备。加装AN/ASB-4型轰炸雷达和导航系统。共生产100架。主要是改进了攻击航空电子系统，1957年10月3日首次试飞，总共生产了100架。载弹量和武器配置方案与A型相同。尾部炮塔系统与D型相同。攻击航空电子系统为AN/ASQ-38(V)，其中包括AN/ASB-4雷达、AN/APN-89A多普勒雷达、MD-1和AJA-1等设备。

B-52F改装推力更大的J57-P-43W发动机。1958年6月装备部队，共生产88架。其攻击和防御武器系统部分与E型相同。部分飞机也改装了高密度挂弹架。在越南战争期间，为了适应打常规战争的需要，提高B-52挂载常规炸弹的能力，把部分D型飞机炸弹舱内的箱形炸弹架改装成高密度炸弹架，后来部分F型和G型飞机也作了相应的改装。高密度炸弹架有3A-1、3A-2、3B-1、3BB-1、3BC-1、3BC-2和4A-1等型别，以适应悬挂各种武器。改装后的D型飞机，弹舱内可挂3个高密度炸弹架，每个炸弹架可挂18颗340公斤的M117炸弹或28颗227公斤的MK82炸弹；每个机翼下可挂12颗340公斤的M117炸弹。最多可挂108颗通用炸弹，最大载弹量可达27.2吨。后来B-52F也进行了类似的改装，费用为3040万美元。

B-52G是以F型为基础的重大改进型号。该型号减轻了机身重量，增大航程，可携带空地导弹。最大起飞重量217700公斤。1959年2月装备部队，共生产193架。结构减重4500公斤，机翼和垂尾基本上是新设计的。垂尾高度降低了2.31米，弦长略有增加，这是辨认G和H型较好的特征。机翼采用长达24.4米的整体壁板，因此加大了翼内油箱容积。外挂副油箱容积减小，且固定在机翼下，因为B-52并不需要抛弃副油箱。机身结构简化，后部射击员座位改为安排在前部乘员舱内，因此取消了后部增压座舱以及相关氧气、通信设备。尾炮因此改为遥控控制。机翼下内侧发动机短舱与机身间加装挂架，可载两枚AGM-28B“猎犬”空地导弹，或ADM-20B“鹌鹑”诱惑导弹。

1971年G型进行了第一次改进，能携带20枚短距攻击导弹(SRAM)。加装了用于低空突防的光电探测系统(EVS)。光电探测系统装在机头两侧下部的可旋转炮塔内，右侧是AAQ-6前视红外扫描器，左侧装AVQ-22微光电视。1978年，有98架B-52G进行了第二次改进，使其每侧内翼挂架可各带6枚AGM-82B空中发射巡航导弹(ALCM)，同时保留在内部弹舱携带SRAM导弹及其他武器的能力。全面更新了进攻电子系统，把50年代的模拟设备更新为全数字的。电子组件有完善的抗辐射保护。这种B-52G有翼根整流罩，是和别的B-52G的主要区别。1989年底完成改进。

另外40架没有进行上述改进的B-52G加装了综合常规外挂管理系统(ICSMS)，借助可插入预编程磁带，可将各种武器的参数输入武器计算机内，从而可使用更多种类的武器。这40架B-52G中，有30架进而加装了AGM-84“鱼叉”反舰导弹，一次可外挂8枚。到1991年总共还有138架B-52G在服役，从1992年开始逐步退役。

B-52H是G型的改进型，是B-52最新、最后一个型号。飞机总重221360公斤，1960年7月试飞，1961年3月装备部队。共生产102架。改装了推力75.71千牛(7720公斤)的TF33-P-3涡扇发动机，因此航程增加10～15%。尾部炮塔的4挺机枪改为一门ASG.21型火控系统控制的M61型6管20mm加特林炮。目前该炮已经被新的电子自卫对抗装置取代。内、外发动机短舱间的挂架上，可带金属箔条和红外诱饵发射器。1971年H型第一次改进，内容与B-52G同期改装一样。

1978年95架B-52H又和98架B-52G一起进行了相同的改进。改进后的B-52H没有翼根整流罩。1982年这95架B-52H在弹舱内改装了携带通用战略武器的旋转发射架，每个发射架能携带8枚AGM-86B导弹，此外还能携带SRAM导弹、先进巡航导弹及核炸弹。1989年首架改装完毕的B-52H服役。1993年6月，47架B-52H开始新的改进，包括改进以MIL-STD-1760数据总线为核心的先进武器控制系统，加装GPS全球定位系统。改进后的H型可携16枚“鱼叉”反舰导弹、或6枚AGM-142A空地导弹，或12个联合直接攻击武器(JDAM)，使其常规作战能力大大提高。美国空军保留95架B-52H，一直服役到2000年后。

2018年9月，美国空军宣布将对B-52H战略轰炸机进行升级和改造，计划让这种飞机继续服役到2050年，B-52将挂载高超声速武器，承担防区外打击的重要任务，成为美军“第一代高超声速打击武器作战平台”。

根据2010年签署的美俄《新削减战略武器条约》，美国空军在2015年对约30架B-52H战略轰炸机进行改装，使其只能投放常规弹药。但该条约将于2026年2月到期。根据美国众议院通过的2025财年国防政策法案修正案，美国空军需要在该条约到期后的一个月内开始改装轰炸机，并在2029年前完全恢复其核能力。

发生事故

据俄罗斯卫星网报道，美国空军一架B-52H轰炸机右翼严重受损的照片2021年11月12日在脸书上疯传。位于美国路易斯安那州的巴克斯代尔空军基地12日证实，位于该州西北部的一基地发生事故，但并未说明事故的具体情况。据美军维修操作中心（MOC）备忘录显示，“当飞机准备做静态显示维护时，与(维修组)大楼正前方的围栏撞上。”“飞机所有受损碎片都已找回，右翼尖及右边油箱的前缘机翼外侧都有严重损坏”。报道称，这架价值 8400 万美元的B-52H轰炸机是 20 世纪中期美军部署，是目前仍在服役的 76架战略轰炸机之一。

当地时间2024年2月23日，一架B-52H型战略轰炸机从该基地起飞，一台发动机在空中起火，随后被迫紧急降落该基地。报道称，飞机着陆后，火被扑灭，机组人员没有伤亡。

B-52初次登场是1965年的“弧光灯”（Arc Light）行动，第7和第320联队派出B-52F轰炸怀疑为越共控制的南越地区。B-52F被部署在关岛安德森空军基地，由驻嘉手纳空军基地的KC-135A提供支援。6月18日，27架B-52F执行了首次空袭，轰炸了西贡以北40英里位于滨吉（Ben Cat）的越共目标。整个行动刚开始就蒙上了失败阴影，两架B-52F在奔袭途中发生空中相撞的惨剧，造成8名机组成员死亡。由于情报准确性存在疑问，这轮空袭没有收到显著成效。壮观的轰炸也缺乏精确性，只有一半炸弹落在目标区。

B-52F加入越战后不到半年，空军决定让具备更强常规作战能力的B-52D“大肚”改装型前往东南亚服役。B-52F此时已经在南越执行了超过1500架次的“弧光灯”行动。1966年3、4月，第28和第484联队的B-52D被部署到关岛，替换表现差强人意的B-52F。其后几年，总计又有11个B-52D联队被派往东南亚进行轮换，其中一些甚至曾前后三次参战。包括第7、22、70、91轰炸机联队，第92、96战略空军联队，第99、306、454、461、509轰炸机联队。

1969年3月开始，美军开始使用B-52加强对柬埔寨的轰炸。这是尼克松政府上台后的一系列重大举措之一，最初被严格保密，SAC和国防部都对外宣称目标在南越境内。为保证行动秘密实施，B-52在地面部队的MSQ-77雷达引导下，根据后者指示的投弹点和时间进行夜间轰炸。这样就算机组成员也不知道自己到底在轰炸哪个国家。B-52还用来轰炸越南北方，尽管最初只用来打击17度线附近地带。这一阶段，B-52一般避免侵入北越空域。其中至少一架成了萨姆导弹的牺牲品，这成了北越的宣传材料并使国防部极其难堪。

1972年3月30日，北越正规军在火炮和坦克的掩护下开始大规模进攻南越。4月2日，开始执行空袭北越的行动，代号“自由列车”。行动一开始直接支援南越军队，后来转而打击北越后勤线。15架B-52D首先轰炸义安（NgheAn）首府荣市（Vinh）的铁路线和油库设施。三天后轰炸沛昌（BaiThuong）机场。4月15-16日周末，在电子战飞机支援下，有效地压制了萨姆导弹，成功打击了河内和海防周边目标。4月中旬，北越全境在三年多里第一次被清除出目标清单，5月10日，空袭更名为“后卫”行动（Linebacker）。除了在越南北方猛烈轰炸，1972年上半年B-52在越南南方每月出动数目直线上升，3月出动689架次、4月出动1608架次、5月和6月分别达到2223架次和2207架次。

北越在12月4日的最后会谈上断然拒绝先前已达成的条款，谈判宣告破裂。尼克松告诉基辛格：“如果我们重新进行轰炸必须有所不同，这意味着我们将不得不用B-52轰炸河内和海防。”12月15日，参谋长联席会议主席命令太平洋司令部准备尽全力实施轰炸，行动代号“后卫”II。战区内所有B-52在12小时内全部被征调，没有给例行轰炸任务留一架。第二天基辛格在华盛顿宣布谈判无果而终，参联会主席于次日下令实施攻击。

“后卫”II行动期间，B-52在11个晚上出动了729架次（计划出动740架次，其中有11架次中途终止了飞行，未能抵达目标），共突击了34个目标，投弹量达15287吨，1600处军事设施被破坏或摧毁，使北越损失了3百万加仑石油和80%的发电能力。在1240枚（一说1242枚）萨姆导弹的拦截下，付出了被萨姆导弹击毁15架（9架B-52D、6架B-52G）、击伤3架的代价，损失率不到2%。共有92名B-52机组人员被击落，其中59人生还，其余阵亡或失踪。对此主要应当归功于电子对抗，尽管还远不可靠。密切的战术协同也是确保基本达成任务目标的要素，KC-135提供了妥善了空中加油保障，F-111等战术飞机则参与压制机场，减少北越战斗机升空拦截的机会。

北越重回谈判桌后，“后卫”II行动随即在12月29日结束。北越终于从B-52的阴影中摆脱出来。假如继续轰炸，萨姆导弹的威胁势必将几近消失。1973年1月21日，B-52的轰炸似乎得到了迫使北越诚心谈判的效果，1月23日，双方关于美国从越南撤退达成一致。美国战俘在3月份得到释放。“后卫”II行动后，B-52重新执行“弧光灯”任务。1973年8月15日最后一次执行了这项任务，全部B-52在不久之后撤出东南亚。从1966年4月2日第一次轰炸越南北方到1972年12月29日，总共出动了3,300多架次进行轰炸。

参加海湾战争的B-52G隶属于暂编第14航空队，下辖来自国内的第2、42、93、397、97和第416轰炸机联队的73架B-52G，其中9架接受过发射ALCM的改装。这些B-52G组成4个暂编联队，第4300联队的23架部署在印度洋上的迭戈加西亚岛（DiegoGarcia），第1708联队的20架部署在沙特的吉达（Jeddah），第801联队部署在西班牙莫隆（Moron），第806联队部署在英国费尔福德（Fairford）和美国本土的一些基地。其中第4300联队是二战以来最大的轰炸机联队，在42天中共投放了5000吨炸弹，大约是迪戈加西亚基地库存的2/3。

B-52G全程参加了对伊拉克的空袭作战。42天中总共出动了1624架次，投弹25700吨，包括72000枚炸弹，占美国总投弹量的29%和空军总投弹量的38%。954架次执行的是战略任务，打击工业设施、C3I系统、核生化设施、战术导弹等战略目标。527架次实施的是近距空中支援和战场遮断，其中仅在科威特战区就出动了336架次进行战场准备，包括直接突击伊拉克3个共和国卫队师的56架次。79架次用于轰炸机场。其余用于航空心理战，在伊拉克部队阵地上空122m的低空抛撒传单。

海湾战争中，B-52G采用轮番夜间散发传单和白天投弹轰炸的作战方式，在心理战方面也起到了很大的作用。4或6架B-52G从几公里外以140m的高度飞越沙漠，利用发动机轰鸣和炸弹爆炸冲击伊军官兵的脆弱神经。据估计，伊军逃兵中有20-40%是由于害怕B-52G而决定逃跑的。

B-52总共执行了约1620次任务，投放炸弹相当于美军总投弹量的1/3。尽管多架B-52G被击伤，但没有一架被击落。一架B-52G两台引擎被一枚SA-3近失弹击毁，另一架则被高射炮火击伤。甚至有一架B-52G被提供防空压制的友机发射的一枚AGM-88A“哈姆”高速反辐射导弹击伤。导弹锁定了B-52G尾炮火控雷达，造成机尾大面积破损。

为了因应中国人民解放军针对西太平洋第一岛链与第二岛链的武力扩张，美国空军的B-52常态性部署于夏威夷与关岛安德森基地；若中国与美国的亚太盟邦发生战事，美军B-52可飞抵日本琉球嘉手纳基地进行前进部署，以抗衡攻势上具有地利之便的解放军。

2013年11月23日，中华人民共和国宣布在东海设立防空识别区，覆盖大部份东海海域。11月26日，五角大厦发言人、美国空军上校斯蒂夫·沃伦（Steve Warren）指出，两架B-52远程战略轰炸机在美国东部时间25日下午7时（北京时间26日上午8点）“在钓鱼岛区域进行活动”（conducted operations in the area of the Senkakus），并在之后返回关岛基地。美方说明这两架B-52轰炸机没有武装，只是从事一般的飞行演练，但却特别指出其在事前并未遵循中方的要求递交飞行计划与通讯频率资讯，在过程中也完全未与中方通讯，蓄意挑战中方要求的意图非常明显。

中方回应，中国军队进行了全程监视、及时识别，判明了美方飞机类别。中方有能力对相关空域实施有效管控。

为了应对中国人民解放军针对西太平洋第一岛链与第二岛链的军力投送能力增强，美国空军B-52常态性部署于夏威夷与关岛安德森基地；一旦需要，美军B-52可直接飞抵嘉手纳基地进行前进部署。

2019年5月以来，美国持续对伊朗施压，切断伊朗全部石油出口，同时派遣航母战斗群及海军陆战队奔赴波斯湾，此前国安顾问博尔顿还表示，将派遣轰炸机特遣队。

俄罗斯卫星通讯社2019年5月10日报道，美国B-52战略轰炸机特遣队抵达卡塔尔，准备应对伊朗“可能的袭击”。近来，美国空军持续增援负责中东地区的中央司令部，以便“保卫美国在该地区的利益”。

2020年美国五角大楼把隶属于驻扎在路易斯安那州巴克斯代尔空军基地的第20远征轰炸中队的6架B-52H战略轰炸机，调到伊朗弹道导弹射程外的印度洋空军基地，其用意是为了防范伊朗在中东地区发动攻击。

当地时间2022年9月13日，美国B-52轰炸机在英国起飞后出意外，挂出紧急代码，不停盘旋。

当地时间2023年3月30日，两架美军B-52H战略轰炸机在朝鲜半岛东部海域上空，与日本航空自卫队战机执行飞行任务。

2023年10月16日，据韩联社报道，美国B-52“同温层堡垒”战略轰炸机计划本周在朝鲜半岛出动，并在韩国境内的一座空军基地降落。报道称，B-52轰炸机在韩国境内的空军基地降落尚属首次。

美国“防务新闻”报道，到21世纪30年代，随着B-1和B-2两款机型逐步退役，美军轰炸机部队将大幅缩减，由100架全新的B-21隐形轰炸机和现役的76架B-52组成。B-52在不久后接受大规模翻修和改造，这群“冷战老兵”需要继续飞行30年。

一系列升级项目中最重要的是，用英国罗尔斯·罗伊斯公司的F130型发动机替换20世纪60年代的老式发动机。美国空军对F130并不陌生，但在B-52上，这款发动机是成对安装的，需要通过额外的测试验证稳定性。第一架“换心”的轰炸机预计在2028年试飞。该耗资124亿美元的项目将持续到2040年前后。

2024年7月，美国媒体报道称，美国国会正在推动一项新法案，旨在恢复数十架B-52H战略轰炸机的核打击能力。