1954年3月18日，第一架B-52A（52-0001）被緩緩推出西雅圖工廠，還舉行了數千人參加的盛大出廠儀式。這架飛機於1954年8月5日完成了首飛，但比原計劃晚了14個月。B-52A總共生產的三架，都完全由波音製造。
B-52A是「同溫層堡壘」的第一種生產型。大量的初試加工和新的研發成本，使本質上屬於實驗性質的B-52A的造價達到了高昂的2838萬美元。然而生產的三架B-52A缺少包括轟炸/導航系統在內的許多電子設備，無法完成戰備任務，故其主要用於各種飛行測試。
所有的B-52A都用於B-52的發展與試飛，這些工作結束後，1959年波音將一架B-52A（52-0003）改裝為X-15研究機投放載機
B-52B是第一架於1955年6月29日在美國空軍服役的型號，第93轟炸聯隊在加利福尼亞州的空軍基地服役。該版本包括對發動機和航空電子設備的細微改動，可通過注水額外增加12,000磅的推力。飛機在1956年2月墜機後以及在隨後的7月再次墜機，導致飛機暫時停飛，導致訓練延遲，並且在年中仍然沒有準備戰鬥的B-52機組人員。
首架B-52B在進行空中加油測試，加油機是一架KC-97G。由於速度相差大，所以B-52採用放下起落架的辦法來實現減速。
B-52C總共只生產了35架，由於產量提高明顯攤薄了B-52C的成本，單架只及B-52B的一半。1975年7月最後一架B-52C結束了自己在愛德華茲空軍飛行測試中心的飛行任務，而絕大多數B-52C在1971年前就被封存了。
停放在波音機場的第4架B-52C，在C型上引入3000加侖的大型副油箱和白色反射輻射塗裝
這架第99轟炸機聯隊的B-52C服役了足夠長的時間，以至於塗上了SAC戰略轟炸機迷彩
B-52D時第一種大規模生產型，1956年6月到1957年11月間共生產了170架。B-52D是純粹為執行遠程轟炸任務製造的，在退役前一直是美國空軍的支柱。B-52D在越南戰爭中表現得非常活躍，可以攜帶重磅炸彈用於越南的地毯式轟炸。停放在波音機場的第4架B-52C，在C型上引入3000加侖的大型副油箱和白色反射輻射塗裝
B-52E最初和B-52D基本相同，但大多是直接為適應低空轟炸任務而生產的。B-52E和後續型號安裝了升級後的ASQ-38系統。西雅圖和威切塔生產的B-52E分別於1957年10月2日和17日實現處女航，兩個月後服役。美國空軍到次年6月接受了整整100架B-52E，極大地充實了戰略核威懾的實力。
西雅圖工廠跑道上露天進行最後階段組裝的B-52E機隊
B-52F的J57-O-43W發動機配備了更大容量的注水系統，能夠提供比以前的機型更大的推力。第一批B-52F都存在燃油滲漏問題，這也是當時美國許多軍用飛機的通病。後來波音研發了CF-17不鏽鋼帶夾具並加裝了安全帶，才緩解這一問題。B-52G的提出是為了在B-58騙子計劃延誤期間延長B-52的使用壽命。最初，對全新的機翼和普惠J75發動機進行了徹底的重新設計。儘管已進行了大量更改，但為了避免生產速度下降而拒絕了此操作。其中最重要的是帶有一體式燃油箱的新型「溼式」機翼，使飛機總重增加了38,000磅（17,235千克）。此外，機翼下方的溼硬點上裝有一對700加侖（2,650升）的外部燃油箱。B-52G於1959年2月13日開始服役。生產了193架B-52G，這使其成為產量最高的B-52變體。大多數B-52G都是按照1992年《削減戰略武器條約》銷毀的；2013年12月，根據新START條約要求，拆除了最後一架B-52G，編號58-0224 。B-52H是「同溫層堡壘」的最後一種生產型號，現在仍在服役的B-52全部是接受現代化改造和延壽的B-52H。1960年5月6日空軍採購了62架B-52H，同年6月26日又採購了40架，總計達102架。B-52為洲際核轟炸而設計，但在實戰中卻執行常規轟炸任務，以至於人們一提到B-52，便會聯想到壯觀的地毯式轟炸場景。B-52總共執行了約1620次任務，投放炸彈相當於美軍總投彈量的1/3。下面的兩張動圖讓大家感受一下移動的空中彈藥庫的威力：
1966 年1月15日上午10時22分，美國戰略空軍司令部的一架B—52和一架KC—135空中加油機在進行空中加油訓練，在兩機聯接時，突然在31000英尺的高空相撞，「B-52」上八個噴氣發動機中一個爆炸起火。
B-52轟炸機離帕洛瑪雷斯1.6公裡時，飛行員看到失火事故已經無法排除，迅速採取應急措施——擲下機上的4枚上了保險的MK-28型氫彈。就在之後僅幾秒鐘，油箱爆炸，駕駛艙著火。要不是飛行員果斷地擲下氫彈，那麼後果將不堪設想。四枚氫彈威力比轟炸廣島的原子彈大1250倍，當量約2500萬噸TNT。
在距離一條幹河床約500碼的地方，發現了一顆完好無損的氫彈，之後人們找到了另外兩顆氫彈，並推測出最後一顆在海裡。最終在4月7日8時45分，也就是事故發生後的第79天22小時23分鐘之後，第四顆氫彈從近800米深的海底被拉上船，回到了美國人手中。
三英寸厚的表層土被刮下裝進4810個密封桶內，被運往美國南卡羅來納州愛肯附近的核廢物處理場。為防止大風把放射性塵埃帶到遠處，16輛灑水車每天噴灑125000加侖清水。地裡的莊稼要回收，物主將得到賠償
據統計，美軍約3000多人竭盡全力幹了將近3個月，花費了近2000萬英鎊，使用了18艘艦船和各種最精密、最古怪的裝備
還沒完！休息5秒鐘，插播一則廣告由於艙內起火，美國一架B-52轟炸機的機組人員被迫作出棄機決定，在此之前，他們本可以進行緊急迫降。B-52轟炸機最後撞上格陵蘭圖勒空軍基地附近的海冰，導致所攜帶的4顆氫彈頭破裂並擴散，致使放射性汙染物大面積擴散。
清理人員把被汙染的冰塊裝進鋼罐封存，防止其進一步擴散
B-52系列早在1952年4月15號就首飛，1955年就加入美國空軍服役。目前美國空軍中還存在76架B-52，型號全部是B-52H。該型號是美軍在B-52G轟炸機基礎之上換裝的產物，使耗油量降低，航程增加，並且有連接美軍衛星的能力。
B-52畢竟是一款「老爺機」了，儘管威力巨大，但性能上來說無法適應現代化戰爭。因此，美軍提出了升級B-52的計劃。升級的主要方向大致有三個，航電設備、武器彈藥、隱形能力。為此，美軍為現役的B-52加裝了數據鏈系統、移動地圖顯示、新一代航空電子技術、新通訊設備等。
此外，美軍為B-52安裝了新的內置彈藥倉，裡面可攜帶聯合防區外空地飛彈、雷射制導炸彈、小型空射誘餌彈等。在改進之後，每架B-52攜帶的飛彈數量將增加至20枚。隨著一次次的現代化升級，B-52再次煥發出活力，威懾能力得到顯著增強，服役期限預計可延長到2050年，這位已經服役65年的老將還能再戰30年！