B－17F轰炸机飞翔在太平洋岛屿上空
1934年，国际局势迅速恶化。日本在一年前已开始侵略中国东北并退出了国际联盟，德国紧随其后退出国际联盟。这极大地破坏了任何裁军的希望。美国陆军飞行队随之做出反应，根据莱特机场材料部所作的可行性研究，启动了“A计划”。呼吁制造一种能够载重1吨、航行8045千米的轰炸机。也就是说，这种飞机能够从美国大陆起飞，不着陆飞行至巴拿马、夏威夷或阿拉斯加等地的美军基地。总参谋部对研制这种飞机表示赞同。
波音公司用299型飞机作为标的投标。项目工程师是埃默里，由爱德华·韦尔斯担任助手。
波音299型是“空中堡垒”轰炸机的原型机，1935年7月17日推出原型轰炸机。随后7月28日原型机首航，由波音公司首席测试飞行员莱斯利·托尔驾驶。
这种新式飞机是全金属结构的下单翼飞机，起落架可收回。机身外型流畅，各方面性能优良，运行成本低。它的技术创新包括一种机翼及尾部冰冻时的去冰装置。
B－17轰炸机正在启动引擎进行测试，地勤人员准备好了灭火器
1935年8月20日3点42分，莱斯利·托尔驾驶着299型飞机从西雅图跑道上起飞，开始作演示飞行。随行的有副驾驶路易斯·韦特，作为观察员的有波音公司的本顿和普拉特·惠特尼公司的亨利·艾戈。9小时之后。这架299型飞机在俄亥俄州代顿附近的莱特机场着陆。飞机不着陆飞行3379千米，平均时速为373千米／小时，只使用了3000马力功率的63％。飞行平均高度3812千米。主要为自动驾驶。
他们的高速飞行使得飞机到达的时间比飞行队的官员们预计的提前了2个小时。空军飞行队任命唐纳德·普特中尉担任波音299型的项目测试飞行员，在随后的一系列初步飞行测试中，他汇报说飞机在航速、爬升速度、航程、装载量方面均超过了所有的陆军标准。
1937年3月1日第1架YIB－17飞机(序列号36－149)到达兰利基地的第2轰炸部队，第12架飞机在同年8月5日交付基地。一架第二轰炸部队的飞机满载装备和仪器在兰利基地上空遇到暴风雨，强烈的湍流使飞机旋转，飞行员清醒过来并安全着陆。
检查飞机时发现，尽管机翼弯曲，铆钉突出，但是飞机尚可维修。另外，测试仪器表明，飞机在容许负载范围内超过了各方面的最大装载量。
第2轰炸部队当时是美国飞行部队惟一的重型轰炸部队，引导YIB－17飞机进入全面服务的任务落到了部队指挥官罗伯特·奥尔兹中尉的肩上。接下来的几个月中，第2轰炸部队的精选组员在各种天气条件下总共在海洋和陆地上空飞行9293小时，总航程2896200千米，相当于在赤道绕地球72周。航行中没有发生严重事故。
1939年7月和8月在美国空军部队成立30周年庆祝活动中，B－17飞机在航速、装载量和高度方面又打破了多项国际国内纪录。这时第2轰炸部队已完成了试验。轰炸机代号中不再使用“Y”字母。同时B－17B生产型飞机又创造了一项新的纪录，以平均时速426千米，用9小时14分从西雅图飞到了纽约。
波音公司除了获得30架B－17B飞机的订单以外，现在又收到了39架B－17C飞机的订单，另外变化型B－17D飞机的订购也在商谈中。
B－17轰炸机的内侧翼各装有三个主油箱，外侧翼各装有九个主油箱。地勤人员正在B－17轰炸机上工作
波音公司和空军部队当时在幕后对于每架飞机的价格展开了激烈的讨论。
根据原始合同中双方达成的一致意见，每架飞机单价为205000美元。但空军部队此时坚持认为价格太高了。即使是波音公司告诉陆军部可以通过取消一些部件，例如机外炸弹架，而把最低价格降到202500美元，整个B－17计划仍然悬而未决。
西雅图的B－17轰炸机生产线。
1939年9月1日，德国入侵波兰，把世界推向战争，第二次世界大战全面爆发。
当时美国已经无法继续实行孤立政策。
最后波音公司和美国空军部队双方终于达成了协议，挽救了重型轰炸机计划。
波音B－17F“空中堡垒”重型轰炸机
B－17轰炸机早期的所有型号，到开始具有尾部机枪手舱的B－17E型及以后的型号，机身都是由多个机舱构成，然后用包括大梁在内的经纬交错的环形加固器和纵向加固器连接固定。机体覆盖24ST铝合金涂层。用铝铆钉固定。表层厚度不同，载重部位较厚重。
为辅助大批量生产，机身分为4部分制造，吊挂着组装，在生产线上合为一体。机身前部包括2个驾驶员的舱位以及从机首延伸出来位于驾驶舱下方的导航员－投弹手舱；中间部分是炸弹储藏舱；后面是机身的后部和尾部。
早期B－17型轰炸机的机背机关枪位置
早期B－17系列(从B－17B到B－17D)和同时期其他美国轰炸机型一样，设计成为防守型而不是进攻型。也就是说，他们在战争中的主要作用是袭击威胁到美国大陆的入侵敌军。飞机设计者们并未预计到这些轰炸机在防守时会遇到敌军战斗机的猛攻。这种思路反映在早期作战的飞机武器装备上。到B－17D型为止。飞机武器装备不超过7挺混合口径为0.30英寸和0.50英寸的机枪。
早期的“空中堡垒”装有机身中部炮塔，后来的B－17型改用简单的窗口。灵活的手持式机枪在枪座上装有减震装置，可以吸收反冲和震动。炮塔式机枪都装有控制火力凸轮，而机身中部机枪却没有这么精良的设计。机身中部机枪手在对敌军战斗机的激战中射中自己的飞机是司空见惯的事情。
虽然机身中部机枪手穿着电热飞行服，但是他们的作战岗位在B－17轰炸机中是最不舒服的。一直到在B－17轰炸机机身中部安装玻璃窗以前。像飓风一样的强风经常灌到机身内部，温度最低降到零下40度。
B－17轰炸机尾部机枪手没有后盾保护，当德国轰炸机采取正面进攻战术时，有的子弹或弹壳穿透机首，贯穿机身内部，从背后射中了尾部机枪手，造成许多机枪手牺牲。
面对敌人战斗机的攻击，防御兵力和武器装备必须强化，整体重量也因此而不得不增加。B－17G的航程和升限都小于在它之前的型号B－17E。
B－17E轰炸机空载重量15075千克，比最早的299型重7吨，速度快得多(快40％)，最高航速每小时512千米。B－17E轰炸机是第一种可以称为是进攻型的空中堡垒，主要担任战术轰炸角色。
崭新的B－17G轰炸机在西雅图的波音工厂大批生产
后来生产的B－17F型轰炸机装有新型机首下部炮塔，机首下部炮塔在下一个型号也是最后一种主要的变化型B－17G轰炸机中得到普遍运用。
B－17F型轰炸机又被称为“孟菲斯美女”。
第一架B－17G轰炸机于1943年9月4日交付使用，最后一架B－17G轰炸机于1945年4月13日交付使用，在德国投降前不到一个月。
B－17轰炸机机上安装有一种非常精密的设备：诺顿投弹瞄准器。
这种投弹瞄准器非常精确而且隐蔽，由卡尔·诺顿和弗里德里克·恩特威斯尔上尉研制。
诺顿投弹瞄准器
诺顿投弹瞄准器的前部主要部件是一个由回转仪固定和马达驱动的望远镜，投弹手通过它观察攻击目标。瞄准器能够计算合适的风速和高度，并给出弹道数据。投弹手用望远镜的标尺锁定目标。
轰炸机在空中动向的精确数据输入诺顿瞄准计算机后，投弹手可以通过自动飞行控制装置调整飞机的横向移动(这种装置通常称为自动驾驶仪)。只要瞄准器锁定目标，飞机就能在投弹前一直保持自动控制。投弹也是自动过程，弹道角度由瞄准器计算出来。投弹后。投弹手将瞄准器关闭。
B－17“空中堡垒”轰炸机
第一架派遣到欧洲战场的“空中堡垒”是一架B－17E，编号为19085，同年7月1日降落在苏格兰的普雷斯特威克。随后1942年7月6日和31日之间，第97轰炸大队(第340、341、342和第414轰炸中队)派遣了38架B－17轰炸机到英国的机场。
1942年8月17日，第97轰炸大队接到命令，美国从英国发动第一次轰炸袭击，英国皇家空军战斗机部队11大队的喷火战斗机中队随行护航，目标是鲁昂的铁路调车场。由12架B－17轰炸机攻击，另外6架轰炸机在法国海岸牵制。轰炸时天气晴朗，结果非常成功，只有一架B－17轰炸机受到轻微的高射炮损伤。
8月19日，派遣的24架B－17轰炸机中有两架轰炸了阿布维尔的德国战斗机机场，并安全返航。
1942年夏之后，B－17轰炸机在英国的使用越来越多，到年底以前，美国昼间轰炸机在战斗机护航队航程内，又对法、荷、比、卢等国家的目标进行了多次袭击。
第8航空队的一支B－17轰炸机编队在层云密布的天空中飞向德国的目标。
1943～1944年整整两年间，美国B－17轰炸机机组成员与德国战斗机飞行员在空中较量，美国逐渐占据上风。
B－17轰炸机的生产一直持续到1945年初第二次世界大战结束以前，这时它的轰炸机角色开始被其他新机型取代。
B－17轰炸机在欧洲战场总共出动291508架次。