Предсерийные машины В-52А (первый полет состоялся 5 августа 1954 г.) использовались как испытательные и исследовательские самолеты для программ усовершенствования. В ВВС США серийные бомбардировщики начали поступать с 29 июня 1955 г. под обозначением В-52В, которые в отличие от В-52А были оснащены системой навигации и бомбометания Из пятидесяти построенных самолетов В-52В двадцать семь было переоборудовано в самолет-разведчик RB-52B.
На варианте В-52С было существенно улучшено оборудование и летно-технические характеристики – это первая модель, которая имела белую отделку нижней поверхности корпуса самолета для защиты от светового излучения при ядерном взрыве. Первый полет В-52С совершил 9 марта 1956 г., а в боевое подразделение первый В-52С поступил в июне 1956 г. Последовавший вариант B-52D (впервые поднялся в воздух 4 июня 1956 г.) оснастили улучшенной системой управления огнем из четырех хвостовых 12,7-мм пулеметов. Вариант В-52Е (первый полет 3 октября 1957 г.) получил более совершенную навигационную систему и систему управления вооружением с отображением информации на модернизированной приборной доске. Увеличение взлетного веса потребовало установки на новом варианте B-52F (первый полет выполнен 6 мая 1958 г) двигателей с системой впрыска воды для увеличения взлетной тяги.
Вариант B-52G содержал большое количество усовершенствований и оказался наиболее модернизированным в пределах одной модели (первый полет – 26 октября 1958 г.). Чтобы сохранить вес и сделать планер более безопасным, он был полностью перепроектирован, кессон-баки крыла значительно увеличены, киль укорочен, хвостовой стрелок перемещен в кабину экипажа, что позволило значительно сэкономить вес Установлено оборудование для запуска снарядов-ловушек «Квеил» (quail – перепел), которые имитировали отметку на экранах РЛС, аналогичную отметке от В-52, и ракет AGM-28 «Хаунд Дог» (hound dog – гончий пес) класса «воздух-поверхность», запускаемых вне пределов зоны ПВО с дальности до 1200 км До 1960 г. было построено 193 самолета B-52G
Последней модификацией стал вариант В-52Н (первый полет совершен 6 марта 1961 г ), который отличался новыми турбореактивными двигателями TF33 с увеличенной тягой при значительно меньшем расходе топлива и усиленной конструкцией планера, что позволило самолету летать продолжительное время на малых высотах. Вместо четырех хвостовых пулеметов установлен один скорострельный типа «Гатлинг», дистанционно управляемый с помощью РЛС AN/AGS- 15 или телекамеры Последний самолет серии В-52 был построен в июне 1962 г
Первая водородная бомба была сброшена с В-52 21 мая 1956 г. В последующие годы ряд рекордных полетов продемонстрировали высокие летные характеристики самолета Так, в ноябре 1956 г были выполнены беспосадочные полеты вокруг Североамериканского континента и через Северный полюс протяженностью 27000 км. 18 января 1957 г. три В-52 совершили кругосветный полет за 45 часов 19 минут, пролетев 39750 км со средней скоростью 850 км/ч., а 11 января 1962 г. самолет установил рекорд дальности полета без дозаправки, преодолев 20168 км за 22 часа 9 минут.
С 1965 по 1984 г. варианты В-52В по B-52F сняты с вооружения; к началу 1992 г. в ВВС США осталось 254 самолета В-52 (159 B-52G и 95 В-52Н).
Бомбардировщик В-52 являлся первым «сверхтяжелым» самолетом, на котором был применен переставной стабилизатор, диапазон отклонения стабилизатора от + 7 до – 6°. При посадке применяется ленточный тормозной парашют диаметром 13,4 м, установленный в хвостовой части фюзеляжа. Для размещения вариантов B-52G и Н в ангаре киль может складываться вправо на шарнирном узле.
На самолетах B-52G и В-52Н все члены экипажа находятся в двухпалубной кабине. Командир экипажа и второй летчик располагаются в катапультных креслах, обеспечивающих покидание самолета вверх; штурман и оператор навигационной РЛС – на нижней палубе в катапультных креслах обеспечивающих покидание самолета вниз, спиной к направлению полета. На вариантах самолета с А по F оператор системы РЭБ размещается в отдельном отсеке в правой задней части верхней палубы, стрелок – в хвостовом отсеке и может по лазу, проходящему через отсек вооружения, перебраться в основную кабину экипажа (для этого необходимо разгерметизировать кабину и уменьшить высоту полета). На самолетах B-52G и В-52Н стрелок-оператор хвостовой турельной установки и оператор системы РЭБ располагаются в задней части кабины спиной к направлению полета На некоторых самолетах RB-52B и В -52С в отсеке вооружения устанавливается специальный отсек с разведывательным оборудованием, рассчитанный на двух членов экипажа.
В отсеке вооружения может находиться до восьми ядерных бомб типа Мк 28, 43, 61 и 83. На самолете B-52G наведение хвостовой счетверенной пулеметной установки калибра 12,7 мм может осуществляться с помощью РЛС дистанционного управления огнем AN/AS G-15 или с помощью замкнутой телевизионной системы На бомбардировщике В-52Н в хвостовой турельной установке размещена пушка с вращающимся бпоком из шести стволов М61А1 «Вулкан» калибра 20 мм и скорострельностью 4000 выстр./мин.