Vào khoảng năm 1938, tướng Henry H. ‘Hap’ Arnold, chỉ huy Không lực Lục quân Hoa Kỳ, ngày càng lo ngại về khả năng xảy ra chiến tranh tại châu Âu và Thái Bình Dương. Với hy vọng sẽ được chuẩn bị dài hạn những nhu cầu của Không lực, Arnold thành lập một ủy ban đặc biệt do Chuẩn tướng W. G. Kilner đứng đầu; và một trong các thành viên của ủy ban là phi công kỳ cựu Charles Lindbergh. Sau một chuyến đi thăm các căn cứ của Không quân Đức, Lindbergh bị thuyết phục rằng không quân của Đức quốc xã đã vượt trội hơn tất cả các nước châu Âu khác. Trong một báo cáo năm 1939, ủy ban này đã đưa ra một số đề nghị, bao gồm việc phát triển một kiểu máy bay ném bom hạng nặng mới.

Khi chiến tranh bùng nổ tại châu Âu, Arnold yêu cầu những nghiên cứu thiết kế được tiến hành tại nhiều công ty khác nhau về một kiểu máy bay ném bom tầm rất xa có khả năng bay 5.000 dặm (8.000 km). Những động lực thúc đẩy Arnold tiến hành các nghiên cứu này một phần là do sự lo ngại rằng Anh sẽ thất thủ trước Đức quốc xã. Như vậy, Không lực sẽ không có một chiếc máy bay ném bom nào có thể bay khứ hồi từ Bờ Đông nước Mỹ đến châu Âu để tấn công các mục tiêu trên lục địa châu Âu. Đề nghị trên được đưa ra ngày 2 tháng 12 năm 1939, dưới tên gọi, R-40B, và nó khá phù hợp với những nghiên cứu mà Boeing đang thực hiện lúc đó.

Vào tháng 1 năm 1940, chiếc máy bay ném bom B-17 vừa mới được đưa vào sử dụng, còn chiếc máy bay hơi nhỉnh hơn Consolidated B-24 còn phải mất hơn một năm nữa. Vào lúc này, Không Lực đưa ra yêu cầu về một kiểm máy bay ném bom lớn hơn nhiều, có tầm bay có thể hoạt động được trên Thái Bình Dương sẽ phục vụ trong cuộc chiến không thể tránh khỏi với Đế quốc Nhật Bản. Bốn công ty đưa ra các nghiên cứu thiết kế là Boeing XB-29, Lockheed XB-30, Douglas XB-31, và Consolidated XB-32. Douglas và Lockheed nhanh chóng rút lui, một phần vì Boeing đã bỏ họ khá xa trong quá trình thiết kế. Đến tháng 9 năm 1940, Boeing và Consolidated nhận được các hợp đồng phát triển cho các kiểu XB-29 và XB-32.

Đầu năm 1940, Không lực Hoa Kỳ phân tích tính năng của các kiểu máy bay ném bom sử dụng tại Mặt trận châu Âu của Thế Chiến II chống lại Không quân Đức, và đưa ra kết luận rằng để cho chiếc B-29 có thể thành công, nó cần được nâng cấp các trang bị tự vệ. Không lực đã yêu cầu bổ sung thùng nhiên liệu tự hàn kín, thêm nhiều súng máy và nâng cấp lên cỡ nòng lớn hơn. Boeing đã tích hợp mọi thứ này trong phiên bản thiết kế lại Kiểu 341, và đưa ra cho Không lực Mỹ dưới tên Kiểu 345, mà sau này sẽ là XB-29.

Sự phối hợp của những công việc lớn lao về thiết kế và kinh nghiệm đối với những kiểu máy bay ném bom cỡ lớn rất có ích cho Boeing. Ngay trước khi chiếc nguyên mẫu bay lần đầu tiên vào tháng 9 năm 1942, Không lực đã đặt một đơn hàng lớn 1500 chiếc B-29 do bị ấn tượng bởi mô hình kích thước thật hoàn tất vào đầu năm 1941. Một chiếc máy bay ném bom tầm xa đang là một nhu cầu cấp thiết, nên việc thử nghiệm hoạt động thực tế được thực hiện rộng rãi tiếp nối việc sản xuất. Chiếc B-29 đầu tiên lăn bánh ra khỏi dây chuyền lắp ráp chỉ hai tháng sau cuộc thử nghiệm hoạt động đầu tiên. Trong vòng chưa đầy một năm, chiếc B-29 được sản xuất hằng loạt số lượng lớn.

Vào lúc nó được chế tạo, B-29 là chiếc máy bay to lớn, gần gấp đôi kiểu máy bay ném bom nặng nhất đang hoạt động. Tầm hoạt động rất xa đạt được là do sử dụng cánh gắn giữa với tỉ lệ dài-rộng cao. Để làm giảm tốc độ hạ cánh cao nguy hiểm, B-29 được gắn cánh tà kiểu Fowler khá lớn. Nó có ba khoang dành cho đội bay được điều áp riêng biệt: trước mũi, gần đuôi dành cho các xạ thủ, và một ngăn riêng biệt cho xạ thủ súng đuôi.

Thay vì gắn tháp súng cồng kềnh vận hành theo kiểu truyền thống, Boeing sử dụng các tháp súng kiểu điều khiển từ xa nhỏ hơn được nối mạng với nhau với một máy tính kỹ thuật tương tự để bù trừ các yếu tố như nhiệt độ gió và đầu đạn tiêu hao. Hệ thống này rất khó phát triển, nhưng nó được chứng minh là rất có hiệu quả.