B-52從最初的原型機到現在的H型機歷經多次的改進和升級。第壹架原型機代號XB-52，1951年11月出廠，1952年10月試飛。YB-52是第二架原型機，近似XB-52於1952年10月試飛。
B-52A是生產型的原型機，外觀上放棄了前兩個型號的縱列雙座機組布局，采用並列常規布局。生產了3架，1954年8月試飛。機身加長0.915米，改裝推力4400千克的J57-P-9W發動機，該系列發動機為B-52長期使用。翼上掛兩個容量為3780升的副油箱，使總載油量達132000升。飛機最大總重188250千克。起落架機輪可操縱轉向，側風著陸適應能力強。最大速度提高到1045千米/小時。
NB-52是由B-52A改裝的X-15高超音速研究機的母機，由NASA管理，***改裝兩架。2004年NB-52退出NASA現役機隊。
B-52B是第壹種批生產型，由B-52A改進而成，1954年12月首飛。1955年6月開始裝備部隊，機上乘員8名，***生產50架。改裝J57-P-19W發動機，總重190500千克，能執行核轟炸和常規轟炸任務，也能進行照相偵察。MD-9型尾炮塔上有4挺12.7mm的機槍，采用自動雷達跟蹤瞄準裝置。在彈艙內可掛照相機和電子偵察短艙。
B-52C是B-52B的改進型，結構相同，但改裝J57-P-29發動機。1956年3月試飛，6月裝備部隊，***生產35架。副油箱的容量加大，每個可裝5675升燃油，飛機總重增至204000千克。乘員改為6人。
B-52D是C的改進型。***生產170架，1956年12月開始裝備部隊。彈艙內可掛偵察短艙。航程和重量增加，乘員6人。為了繼續服役，1977年作了結構延壽，並裝了新型電子設備。大批B-52D型的服役使美空軍有了可靠的、全面的對蘇戰略核轟炸能力。
B-52E改進了投彈、導航和電子設備。加裝AN/ASB-4型轟炸雷達和導航系統。***生產100架。
B-52F改裝推力更大的J57-P-43W發動機。1958年6月裝備部隊，***生產88架。B-52G是以F型為基礎的重大改進型號。該型號減輕了機身重量，增大航程，可攜帶空地導彈。飛機總重217700千克。1959年2月裝備部隊，***生產193架。結構減重4500千克，機翼和垂尾基本上是新設計的。
垂尾高度降低了2.31米，弦長略有增加，這是辨認G和H型較好的特征。機翼采用長達24.4米的整體壁板，因此加大了翼內油箱容積。外掛副油箱容積減小，且固定在機翼下，因為B-52並不需要拋棄副油箱。機身結構簡化，後部射擊員座位改為安排在前部乘員艙內，因此取消了後部增壓座艙以及相關氧氣、通信設備。尾炮因此改為遙控控制。機翼下內側發動機短艙與機身間加裝掛架，可載兩枚AGM-28B“獵犬”空地導彈，或ADM-20B“鵪鶉”誘惑導彈。
1971年G型進行了第壹次改進，能攜帶20枚斯拉姆。加裝了用於低空突防的光電探測系統。光電探測系統裝在機頭兩側下部的可旋轉炮塔內，右側是AAQ-6前視紅外掃描器，左側裝AVQ-22微光電視。
1978年，有98架B-52G進行了第二次改進，使其每側內翼掛架可各帶6枚AGM-82B空中發射巡航導彈，同時保留在內部彈艙攜帶斯拉姆導彈及其他武器的能力。全面更新了進攻電子系統，把50年代的模擬式設備更新為全數字式的。電子組件有完善的抗輻射保護。這種B-52G有翼根整流罩，是和別的B-52G的主要區別。
1989年底完成改進。另外40架沒有進行上述改進的B-52G加裝了綜合常規外掛管理系統，借助可插入式預編程磁帶，可將各種武器的參數輸入武器計算機內，從而可使用更多種類的武器。這40架B-52G中，有30架進而加裝了AGM-84“魚叉”反艦導彈，壹次可外掛8枚。到1991年總***還有138架B-52G在服役，從1992年開始逐步退役。
B-52H是G型的改進型，是B-52目前最新、最後壹個型號。1960年7月試飛，1961年3月裝備部隊。***生產102架。改裝了推力7720千克）的TF33-P-3渦扇發動機，因此航程增加10～15%。尾部炮塔的4挺機槍改為壹門ASG-21型火控系統控制的M61A1型6管機炮。改用新型的電子對抗系統。在最近幾年，該炮已經被新的電子自衛對抗裝置取代。內、外發動機短艙間的掛架上，可帶金屬箔條和紅外誘餌發射器。
1971年H型第壹次改進，內容與B-52G同期改裝壹樣。1978年95架B-52H又和98架B-52G壹起進行了相同的改進。改進後的B-52H沒有翼根整流罩。1982年這95架B-52H在彈艙內改裝了攜帶通用戰略武器的旋轉式發射架，每個發射架能攜帶8枚AGM-86B導彈，此外還能攜帶斯拉姆導彈、先進巡航導彈及核炸彈。
1989年首架改裝完畢的B-52H服役。1993年6月，47架B-52H開始新的改進，包括改進以MIL-STD-1760數據總線為核心的先進武器控制系統，加裝GPS全球定位系統。改進後的H型可攜16枚“魚叉”反艦導彈、或6枚AGM-142A空地導彈，或12個聯合直接攻擊武器，使其常規作戰能力大大提高。