B－17F轟炸機飛翔在太平洋島嶼上空
1934年，國際局勢迅速惡化。日本在一年前已開始侵略中國東北并退出了國際聯盟，德國緊随其後退出國際聯盟。這極大地破壞了任何裁軍的希望。美國陸軍飛行隊随之做出反應，根據萊特機場材料部所作的可行性研究，啟動了“A計劃”。呼籲制造一種能夠載重1噸、航行8045千米的轟炸機。也就是說，這種飛機能夠從美國大陸起飛，不着陸飛行至巴拿馬、夏威夷或阿拉斯加等地的美軍基地。總參謀部對研制這種飛機表示贊同。
波音公司用299型飛機作為标的投标。項目工程師是埃默裡，由愛德華·韋爾斯擔任助手。
波音299型是“空中堡壘”轟炸機的原型機，1935年7月17日推出原型轟炸機。随後7月28日原型機首航，由波音公司首席測試飛行員萊斯利·托爾駕駛。
這種新式飛機是全金屬結構的下單翼飛機，起落架可收回。機身外型流暢，各方面性能優良，運作成本低。它的技術創新包括一種機翼及尾部冰凍時的去冰裝置。
B－17轟炸機正在啟動引擎進行測試，地勤人員準備好了滅火器
1935年8月20日3點42分，萊斯利·托爾駕駛着299型飛機從西雅圖跑道上起飛，開始作示範飛行。随行的有副駕駛路易斯·韋特，作為觀察員的有波音公司的本頓和普拉特·惠特尼公司的亨利·艾戈。9小時之後。這架299型飛機在俄亥俄州代頓附近的萊特機場着陸。飛機不着陸飛行3379千米，平均時速為373千米／小時，隻使用了3000馬力功率的63％。飛行平均高度3812千米。主要為自動駕駛。
他們的高速飛行使得飛機到達的時間比飛行隊的官員們預計的提前了2個小時。空軍飛行隊任命唐納德·普特中尉擔任波音299型的項目測試飛行員，在随後的一系列初步飛行測試中，他彙報說飛機在航速、爬升速度、航程、裝載量方面均超過了所有的陸軍标準。
1937年3月1日第1架YIB－17飛機(序列号36－149)到達蘭利基地的第2轟炸部隊，第12架飛機在同年8月5日傳遞基地。一架第二轟炸部隊的飛機滿載裝備和儀器在蘭利基地上空遇到暴風雨，強烈的湍流使飛機旋轉，飛行員清醒過來并安全着陸。
檢查飛機時發現，盡管機翼彎曲，鉚釘突出，但是飛機尚可維修。另外，測試儀器表明，飛機在容許負載範圍内超過了各方面的最大裝載量。
第2轟炸部隊當時是美國飛行部隊惟一的重型轟炸部隊，引導YIB－17飛機進入全面服務的任務落到了部隊指揮官羅伯特·奧爾茲中尉的肩上。接下來的幾個月中，第2轟炸部隊的精選組員在各種天氣條件下總共在海洋和陸地上空飛行9293小時，總航程2896200千米，相當于在赤道繞地球72周。航行中沒有發生嚴重事故。
1939年7月和8月在美國空軍部隊成立30周年慶祝活動中，B－17飛機在航速、裝載量和高度方面又打破了多項國際國内紀錄。這時第2轟炸部隊已完成了試驗。轟炸機代号中不再使用“Y”字母。同時B－17B生産型飛機又創造了一項新的紀錄，以平均時速426千米，用9小時14分從西雅圖飛到了紐約。
波音公司除了獲得30架B－17B飛機的訂單以外，現在又收到了39架B－17C飛機的訂單，另外變化型B－17D飛機的訂購也在商談中。
B－17轟炸機的内側翼各裝有三個主油箱，外側翼各裝有九個主油箱。地勤人員正在B－17轟炸機上工作
波音公司和空軍部隊當時在幕後對于每架飛機的價格展開了激烈的讨論。
根據原始合同中雙方達成的一緻意見，每架飛機單價為205000美元。但空軍部隊此時堅持認為價格太高了。即使是波音公司告訴陸軍部可以通過取消一些部件，例如機外炸彈架，而把最低價格降到202500美元，整個B－17計劃仍然懸而未決。
西雅圖的B－17轟炸機生産線。
1939年9月1日，德國入侵波蘭，把世界推向戰争，第二次世界大戰全面爆發。
當時美國已經無法繼續實行孤立政策。
最後波音公司和美國空軍部隊雙方終于達成了協定，挽救了重型轟炸機計劃。
波音B－17F“空中堡壘”重型轟炸機
B－17轟炸機早期的所有型号，到開始具有尾部機槍手艙的B－17E型及以後的型号，機身都是由多個機艙構成，然後用包括大梁在内的經緯交錯的環形加強器和縱向加強器連接配接固定。機體覆寫24ST鋁合金塗層。用鋁鉚釘固定。表層厚度不同，載重部位較厚重。
為輔助大批量生産，機身分為4部分制造，吊挂着組裝，在生産線上合為一體。機身前部包括2個駕駛員的艙位以及從機首延伸出來位于駕駛艙下方的導航員－投彈手艙；中間部分是炸彈儲藏艙；後面是機身的後部和尾部。
早期B－17型轟炸機的機背機關槍位置
早期B－17系列(從B－17B到B－17D)和同時期其他美國轟炸機型一樣，設計成為防守型而不是進攻型。也就是說，他們在戰争中的主要作用是襲擊威脅到美國大陸的入侵敵軍。飛機設計者們并未預計到這些轟炸機在防守時會遇到敵軍戰鬥機的猛攻。這種思路反映在早期作戰的飛機武器裝備上。到B－17D型為止。飛機武器裝備不超過7挺混合口徑為0.30英寸和0.50英寸的機槍。
早期的“空中堡壘”裝有機身中部炮塔，後來的B－17型改用簡單的視窗。靈活的手持式機槍在槍座上裝有減震裝置，可以吸收反沖和震動。炮塔式機槍都裝有控制火力凸輪，而機身中部機槍卻沒有這麼精良的設計。機身中部機槍手在對敵軍戰鬥機的激戰中射中自己的飛機是司空見慣的事情。
雖然機身中部機槍手穿着電熱飛行服，但是他們的作戰崗位在B－17轟炸機中是最不舒服的。一直到在B－17轟炸機機身中部安裝玻璃窗以前。像飓風一樣的強風經常灌到機身内部，溫度最低降到零下40度。
B－17轟炸機尾部機槍手沒有後盾保護，當德國轟炸機采取正面進攻戰術時，有的子彈或彈殼穿透機首，貫穿機身内部，從背後射中了尾部機槍手，造成許多機槍手犧牲。
面對敵人戰鬥機的攻擊，防禦兵力和武器裝備必須強化，整體重量也是以而不得不增加。B－17G的航程和升限都小于在它之前的型号B－17E。
B－17E轟炸機空載重量15075千克，比最早的299型重7噸，速度快得多(快40％)，最高航速每小時512千米。B－17E轟炸機是第一種可以稱為是進攻型的空中堡壘，主要擔任戰術轟炸角色。
嶄新的B－17G轟炸機在西雅圖的波音工廠大批生産
後來生産的B－17F型轟炸機裝有新型機首下部炮塔，機首下部炮塔在下一個型号也是最後一種主要的變化型B－17G轟炸機中得到普遍運用。
B－17F型轟炸機又被稱為“孟菲斯美女”。
第一架B－17G轟炸機于1943年9月4日傳遞使用，最後一架B－17G轟炸機于1945年4月13日傳遞使用，在德國投降前不到一個月。
B－17轟炸機機上安裝有一種非常精密的裝置：諾頓投彈瞄準器。
這種投彈瞄準器非常精确而且隐蔽，由卡爾·諾頓和弗裡德裡克·恩特威斯爾上尉研制。
諾頓投彈瞄準器
諾頓投彈瞄準器的前部主要部件是一個由回轉儀固定和馬達驅動的望遠鏡，投彈手通過它觀察攻擊目标。瞄準器能夠計算合适的風速和高度，并給出彈道資料。投彈手用望遠鏡的标尺鎖定目标。
轟炸機在空中動向的精确資料輸入諾頓瞄準計算機後，投彈手可以通過自動飛行控制裝置調整飛機的橫向移動(這種裝置通常稱為自動駕駛儀)。隻要瞄準器鎖定目标，飛機就能在投彈前一直保持自動控制。投彈也是自動過程，彈道角度由瞄準器計算出來。投彈後。投彈手将瞄準器關閉。
B－17“空中堡壘”轟炸機
第一架派遣到歐洲戰場的“空中堡壘”是一架B－17E，編号為19085，同年7月1日降落在蘇格蘭的普雷斯特威克。随後1942年7月6日和31日之間，第97轟炸大隊(第340、341、342和第414轟炸中隊)派遣了38架B－17轟炸機到英國的機場。
1942年8月17日，第97轟炸大隊接到指令，美國從英國發動第一次轟炸襲擊，英國皇家空軍戰鬥機部隊11大隊的噴火戰鬥機中隊随行護航，目标是魯昂的鐵路調車場。由12架B－17轟炸機攻擊，另外6架轟炸機在法國海岸牽制。轟炸時天氣晴朗，結果非常成功，隻有一架B－17轟炸機受到輕微的高射炮損傷。
8月19日，派遣的24架B－17轟炸機中有兩架轟炸了阿布維爾的德國戰鬥機機場，并安全返航。
1942年夏之後，B－17轟炸機在英國的使用越來越多，到年底以前，美國晝間轟炸機在戰鬥機護航隊航程内，又對法、荷、比、盧等國家的目标進行了多次襲擊。
第8航空隊的一支B－17轟炸機編隊在層雲密布的天空中飛向德國的目标。
1943～1944年整整兩年間，美國B－17轟炸機機組成員與德國戰鬥機飛行員在空中較量，美國逐漸占據上風。
B－17轟炸機的生産一直持續到1945年初第二次世界大戰結束以前，這時它的轟炸機角色開始被其他新機型取代。
B－17轟炸機在歐洲戰場總共出動291508架次。