Ba chiếc B-52B thuộc Không đoàn Ném bom 93 chuẩn bị cất cánh khỏi Căn cứ Không quân Castle, California, trong chuyến bay phá kỷ lục vòng quanh thế giới năm 1957

Mặc dù B-52A là phiên bản được sản xuất đầu tiên, nó chỉ được dùng trong thử nghiệm. Phiên bản hoạt động đầu tiên là kiểu B-52B vốn được phát triển song song với kiểu nguyên mẫu từ năm 1951, bay lần đầu tiên vào tháng 12-1954. Chiếc B-52B ký hiệu 52-8711 được đưa vào sử dụng tại Phi Đội Ném bom Hạng nặng 93 tại Căn cứ không quân Castle, California ngày 29 tháng 6-1955. Phi đội sẵn sàng hoạt động vào ngày 12 tháng 3 năm 1956. Việc huấn luyện đội bay B-52 bao gồm năm tuần lớp học trên mặt đất và bốn tuần bay, tích lũy 35-50 giờ bay.[2] Chiếc B-52B mới thay thế cho những chiếc B-36 đang hoạt động theo kiểu một-đổi-một.

Những hoạt động đầu tiên gặp khó khăn do thiếu phụ tùng cũng như phương tiện phục vụ trên mặt đất, trong khi đường băng và đường chạy bị hư hỏng vì trọng lượng của máy bay. Hệ thống dẫn nhiên liệu thường hay rò rỉ hay đóng băng, máy tính điều khiển ném bom và vũ khí kém tin cậy. Buồng lái gồm hai tầng nảy sinh một vấn đề độc đáo: tầng trên buồng lái dành cho phi công bị đốt nóng bởi ánh nắng mặt trời, trong khi hoa tiêu và sĩ quan radar ngồi ở tầng dưới lạnh lẽo. Do đó, điều chỉnh nhiệt độ cho vừa một ai đó sẽ làm người kia quá nóng nực hay bị lạnh cóng. Động cơ J57 còn mới và chưa được bền. Sự cố hỏng máy phát điện đã gây ra vụ rớt máy bay chết người B-52 đầu tiên vào tháng 2 năm 1956[10], khiến loại máy bay này phải ngừng bay một thời gian ngắn. Sau đó B-52 còn bị ngưng bay vào tháng 7 vì những sự cố về hệ thống nhiên liệu và thủy lực. Để tránh những vấn đề về bảo trì, Không quân đã thành lập những nhóm Sky Speed hợp đồng thầu bảo trì tại mỗi căn cứ B-52. Ngoài việc bảo trì, những nhóm này thực hiện việc kiểm tra định kỳ tốn mất một tuần lễ cho mỗi máy bay.[2]

Lộ trình chuyến bay không nghỉ vòng quanh thế giới trong Chiến dịch Power Flite, trải qua 24.325 dặm (21.145 hải lý, 39.165 km) trong 45 giờ 19 phút năm 1957

Ngày 21 tháng 5 năm 1956, một chiếc B-52B (số hiệu 52-0013) đã ném thử nghiệm trái bom khinh khí (một trái Mk.15) trên đảo san hô Bikini.[11] Trong các ngày 24 và 25 tháng 11 năm 1956, bốn chiếc B-52B thuộc Không đoàn Ném bom 93 và bốn chiếc B-52C thuộc Không đoàn Ném bom 42 đã bay không nghỉ vòng quanh chu vi lục địa Bắc Mỹ trong Chiến dịch Quick Kick, trải qua 15.530 dặm (13.500 hải lý, 25.000 km) trong 31 giờ 30 phút. Không quân Chiến lược lưu ý rằng thời gian bay còn có thể rút ngắn thêm 5-6 giờ nếu như bốn lần tiếp nhiên liệu trong khi bay được thực hiện bằng những máy bay tiếp dầu phản lực thay cho những chiếc KC-97 Stratotanker động cơ cánh quạt. Để biểu diễn khả năng vươn tới toàn cầu của chiếc B-52, từ ngày 16 đến ngày 18 tháng 1 năm 1957, ba chiếc B-52B thực hiện chuyến bay không nghỉ vòng quanh thế giới trong Chiến dịch Power Flite, trải qua 24.325 dặm (21.145 hải lý, 39.165 km) trong 45 giờ 19 phút với nhiều lần tiếp nhiên liệu trên không bởi máy bay KC-97.[10] Không đoàn Ném bom 93 nhận được Giải thưởng Mackay do thành tích này.

Chiếc B-52 lập thêm nhiều kỷ lục trong vài năm sau đó. Vào ngày 26 tháng 9 năm 1958, một chiếc B-52D lập kỷ lục thế giới về tốc độ 560.705 mph (487 knot, 902 km/h) trên một quãng đường bay vòng tròn khép kín dài 10.000 km (5.400 hải lý, 6.210 dặm) không mang tải trọng. Cùng ngày hôm đó, một chiếc B-52D khác lập kỷ lục thế giới về tốc độ 597.675 mph (519 knot, 962 km/h) trên một quãng đường bay vòng tròn khép kín dài 5.000 km (2.700 hải lý, 3.105 dặm) không mang tải trọng.[12] Vào ngày 14 tháng 12 năm 1960, một chiếc B-52G lập kỷ lục thế giới bay không tiếp thêm nhiên liệu một quãng đường 10.078,84 dặm (8.762 hải lý, 16.227 km). Chuyến bay kéo dài 19 giờ 44 phút. Vào ngày 10 đến ngày 11 tháng 1 năm 1962, một chiếc B-52H lập kỷ lục thế giới khi bay không tiếp thêm nhiên liệu từ Căn cứ Không quân Kadena, Okinawa, Nhật Bản, đến Căn cứ Không quân Torrejon, Tây Ban Nha, trải qua 12.532,28 dặm (10.895 hải lý, 20.177 km).[2]

Vào thời gian này, Bộ chỉ huy Không quân Chiến lược có lực lượng cao điểm nhất vào năm 1963, 650 chiếc B-52 hoạt động trong 42 phi đội và tại 38 căn cứ.[13]

Chiến tranh Việt Nam

Khi tình hình xung đột tại Đông Nam Á leo thang, tháng 6 năm 1964, 28 chiếc B-52F được gắn thêm đế bên ngoài có khả năng mang 24 bom 340 kg (750 lb) trong kế hoạch South Bay. Sau đó thêm 46 máy bay nữa được cải tiến tương tự trong kế hoạch Sun Bath. Tháng 5 năm 1965, Hoa Kỳ đưa ra Chiến dịch Sấm Rền, và phi vụ chiến đấu đầu tiên của Chiến dịch Arc Light (đuốc sáng) do B-52F thực hiện ngày 18 tháng 6 năm 1965, khi 30 chiếc máy bay ném bom thuộc các phi đội ném bom 9 và 441 tấn công các vị trí đối phương tại Bến Cát, Bình Dương. Đợt máy bay ném bom đầu tiên đến điểm hẹn quá sớm, và trong khi cơ động để giữ nguyên đội hình, hai chiếc B-52 bị va chạm, làm tổn thất hai máy bay và tám nhân viên phi hành. Những chiếc còn lại, ngoại trừ một chiếc phải quay lại căn cứ xuất phát vì trục trặc kỹ thuật, tiếp tục bay đến mục tiêu và thực hiện ném bom.

Đến tháng 12 năm 1965, trong kế hoạch Big Belly, một số máy bay B-52D được cải tiến để tăng tải trọng bom cho nhiệm vụ ném bom rải thảm. Trong khi lượng bom mang bên ngoài không thay đổi là 24 trái 227 kg (500 lb) hoặc 340 kg (750 lb), lượng bom mang được ở khoang trong thân tăng lên đến 84 bom 500 lb hoặc 42 bom 750 lb. Các cải tiến của kế hoạch Belly đã tạo ra tải trọng bom lên đến 27.215 kg (60.000 lb) với 108 quả. Sau khi cải tiến, B-52D có thể chở nhiều hơn 9.980 kg (22.000 lb) so với B-52E. Thay thế cho B-52F, những chiếc B-52D cải tiến bắt đầu hoạt động từ tháng 4 năm 1966 cất cánh từ đảo Guam. Đến mùa Xuân năm 1967, nó bắt đầu hoạt động từ căn cứ không quân Utapao tại Thái Lan nhờ có ưu thế không phải tiếp thêm nhiên liệu trong khi bay. Ngày 15 tháng 4 năm 1968, một Đơn vị Huấn luyện Thay thế được thành lập tại căn cứ không quân Castle, nhằm chuyển loại các đội bay từ B-52E đến B-52H sang B-52D, cho phép họ tham gia chiến sự tại Đông Nam Á.[14] Cao điểm của các cuộc tấn công của B-52 tại Việt Nam là trong Chiến dịch Điện Biên Phủ trên không bao gồm nhiều đợt B-52 (đa số là kiểu D, nhưng cũng có một số kiểu G có tải trọng bom nhỏ hơn và không có thiết bị gây nhiễu) ném bom vào Hà Nội.

B-52F đang ném bom Mk 117 750 lb (340 kg) trong chiến tranh Việt Nam. Ảnh những năm 1965-1966.

Mỹ tuyên bố các xạ thủ súng đuôi trên những chiếc B-52D bắn hạ được hai máy bay MiG-21 "Fishbeds"; một chiếc vào ngày 18 tháng 12 năm 1972 bởi trung sĩ Samuel O. Turner, và một chiếc vào ngày 24 tháng 12 năm 1972, bởi binh nhất Albert E. Moore. Turner được trao tặng huy chương Ngôi sao Bạc cho chiến công này.[15] (2 vụ bắn rơi này không được phía Việt Nam xác nhận và có lẽ là không có thật).

Số liệu thiệt hại của B-52 tại Việt Nam theo phía Mỹ công nhận: 31 chiếc B-52 đã bị phá hủy hoàn toàn tại Việt Nam.[16] Trong đó, 17 bị bắn rơi tại chỗ do tên lửa đất đối không, 2 chiếc khác bị tên lửa bắn hỏng nặng tới mức không thể sửa chữa được và bị tháo dỡ (coi như là bị tiêu diệt). Hai chiếc B-52F bị mất do va chạm trên không trong chiến dịch Arc Light đầu tiên. Bảy chiếc B-52G bị mất trong Chiến dịch Điện Biên Phủ trên không (sáu chiếc do tên lửa SAM và một chiếc do lỗi kỹ thuật) và 9 chiếc phiên bản khác cũng bị mất trong chiến dịch này.[2]

Ngoài 31 chiếc bị phá hủy hoàn toàn, một số nguồn thống kê có 16 chiếc B-52 khác bị phòng không Việt Nam bắn hỏng (nhưng không rơi mà quay về được sân bay), trong đó có 9 chiếc bị bắn hỏng trong Chiến dịch Điện Biên Phủ trên không. Ngoài ra, còn có vài chiếc B-52 bị đặc công Việt Nam đột nhập vào sân bay để đánh hỏng tại kho chứa. Như vậy, ngoài 31 chiếc B-52 bị phá huỷ, tổng số B-52 bị đánh hỏng (nhưng chưa bị phá hủy hoàn toàn) vào khoảng 25 chiếc, tất cả số B-52 bị phá hủy hoặc hư hại trong chiến tranh Việt Nam là khoảng 66 chiếc.

Trong số 25 chiếc bị hỏng, một số chiếc bị hỏng nặng đến mức không thể bay được nữa, nhưng Mỹ lại không tính là "bị phá hủy hoàn toàn", vì vậy số B-52 bị diệt trong thực tế phải cao hơn con số 31 mà Mỹ thừa nhận. Khi tiêu hủy vũ khí hạt nhân chiến lược theo hiệp ước cắt giảm vũ khí hạt nhân chiến lược giai đoạn 2 (SALT-II), các chuyên gia Liên Xô phát hiện nhiều máy bay B-52 được tiêu hủy tại sa mạc Nevada thực chất là các B-52 đã bị bắn hỏng nặng tại Việt Nam, chúng không còn bay được nữa và được tập kết về đây để tiêu hủy. Tuy nhiên các căn cứ này bị cho là phi lý vì máy bay bị hỏng không thể bay trở về căn cứ tại Mỹ được nữa.

Còn theo nguồn tin của phía Việt Nam, tổng số B-52 bị tiêu diệt là 68 chiếc (tính cả số bị phòngkhông - không quân bắn rơi và số bị đặc công phá hỏng tại sân bay). Riêng trong chiến dịch Linebacker II, số máy bay B-52 mất là 34. Và cũng lần đầu tiên trên thế giới cho đến nay (2018), B-52 bị bắn rơi bởi máy bay MiG 21 do phi công Phạm Tuân của Không quân Nhân dân Việt Nam. Con số này phù hợp với những bình luận đầy lo lắng trên AP: "Cứ theo tốc độ bị bắn rơi như thế này thì chỉ sau ba tháng, B-52 sẽ tuyệt chủng"

"Những thất bại trên là do lực lượng phòng không của Việt Nam đã biết khai thác triệt để các kẽ hở rất mờ nhạt trong hệ thống phòng thủ của B52. Ngược lại, việc triển khai ồ ạt B-52 trong khoảng thời gian ngắn không cho phép Mỹ khắc phục những điểm yếu, dẫn đến B-52 bị các tên lửa đất đối không của Việt Nam tiêu diệt", hãng thông tấn AP bình luận.

Đây là thất bại nặng nề và duy nhất của loại máy bay này trên chiến trường, dẫn đến việc thay đổi hoàn toàn chiến lược sử dụng B-52 trong các giai đoạn sau.

Chiến tranh Lạnh

Trong thời kỳ Chiến tranh Lạnh, B-52 thực hiện các nhiệm vụ tuần tra cảnh giác trên không dưới các tên mã như Head Start, Chrome Dome, Hard Head, Round Robin, và Giant Lance. Những chiếc máy bay ném bom bay quanh quẩn tại các điểm bên ngoài lãnh thổ Liên Xô để sẵn sàng nhanh chóng tung ra đòn tấn công trước hoặc duy trì khả năng trả đũa trong một cuộc chiến tranh hạt nhân.[17][18]

Ngày 17 tháng 1 năm 1966, xảy ra sự cố bom hạt nhân Palomares khi một chiếc B-52G đụng phải một chiếc KC-135 Stratotanker bên trên vùng trời Palomares, Tây Ban Nha. Bốn trái bom hạt nhân cỡ megaton bị rơi xuống biển (cả bốn sau này đều được tìm thấy). Hai trong số bốn trái bom bị vỡ một phần do một vụ nổ nhỏ, gây phát tán nghiêm trọng các chất liệu phóng xạ plutonium và uranium. May mắn là các chốt an toàn đã giữ không gây ra vụ nổ dây chuyền hạt nhân, nếu không đã là một thảm họa hạt nhân thật sự. Sau sự cố, 1.400 tấn đất bị nhiễm phóng xạ được gửi sang Hoa Kỳ.[2] Vụ tai nạn và việc nhiễm phóng xạ tỏ ra vô cùng tốn kém đến nỗi phải chấm dứt chương trình tuần tra cảnh giác trên không. Năm 2006 một thỏa thuận đã đạt được giữa Hoa Kỳ và Tây Ban Nha trong việc điều tra và xử lý ô nhiễm sau tai nạn.

Ngày 22 tháng 1 năm 1968, một chiếc máy bay B-52G khác đang chở bốn trái bom hạt nhân bị rơi trên tuyết tại vịnh North Star trong khi đang cố gắng hạ cánh khẩn cấp xuống Căn cứ không quân Thule, Greenland. Đám cháy sau đó cũng gây nhiễm xạ lan rộng mà việc xử lý kéo dài cho đến tận tháng 9 năm đó.[2]

Trong cuộc Chiến tranh Yom Kippur vào tháng 10 năm 1973, phía Liên Xô đã đe dọa sẽ can thiệp nhân danh Ai Cập và Syria. Để ngăn chặn, Tổng thống Richard M. Nixon đã ra lệnh nâng tình trạng báo động quân sự lên mức DEFCON 3. Bộ trưởng quốc phòng Melvin Laird đã ra lệnh cho máy bay B-52 sẵn sàng tham chiến. Những chiếc máy bay B-52 mang đủ vũ khí và được đổ đầy nhiên liệu đã bay quanh Greenland. Liên Xô đã không can thiệp trực tiếp vào cuộc chiến tranh này.

NB-52B Balls 8 tại Căn cứ Không quân Edwards, trong đợt Thao diễn Hàng không CA 2003.

Những chiếc B-52B kết thúc tuổi thọ cấu trúc thân máy bay vào giữa những năm 1960 và tất cả được cho nghỉ hưu vào tháng 6 năm 1966, sau đó đến lượt những chiếc B-52C vào ngày 29 tháng 9 năm 1971; ngoại trừ chiếc thử nghiệm của NASA B-52B "008" mà sau này nghỉ hưu năm 2004.[19] Một chiếc phiên bản B còn lại, chiếc "005", được trưng bày tại Bảo tàng Hàng không và Không gian Wings Over the Rockies tại Denver, Colorado.

Một vài chiếc phiên bản E hết hạn sử dụng được cho nghỉ hưu trong những năm 1967 và 1968, nhưng đa số (82) được nghỉ hưu từ tháng 5-1969 đến tháng 3-1970. Đa số phiên bản F cũng được cho nghỉ hưu giữa năm 1967 và năm 1973, nhưng có 23 chiếc tiếp tục hoạt động như máy bay huấn luyện cho đến năm 1978. Đội bay phiên bản D phục vụ được lâu hơn. 80 chiếc phiên bản D được nâng cấp trong chương trình Pacer Plank (ECP 1581) tại xưởng Wichita của Boeing. Vỏ bọc phần dưới cánh và thân được thay mới, cũng như nhiều thành phần cấu trúc khác. Công việc hoàn tất năm 1977 với phí tổn 219 triệu Đô la. Đội bay D tồn tại đến năm 1978, khi 37 chiếc được nghỉ hưu, và số còn lại cũng được nghỉ hưu giữa các năm 1982 và 1983.

Những chiếc B-52 nghỉ hưu được chứa tại AMARC, một cơ sở tồn kho giữa sa mạc được gọi là "Boneyard" tại Căn cứ Không quân Davis Monthan, Tucson, Arizona.

Những chiếc phiên bản G và H còn lại được sử dụng cho nhiệm vụ sẵn sàng ("cảnh giác") hạt nhân như là một trong ba thế chân vạc hạt nhân của Hoa Kỳ. Chiến lược này bao gồm tên lửa liên lục địa phóng từ mặt đất, tên lửa phóng từ tàu ngầm và máy bay ném bom. Chiếc B-1B Lancer vốn được dự định để thay thế B-52, chỉ thay thế những phiên bản cũ và thay cho kiểu máy bay ném bom siêu âm FB-111. Sau khi Liên Xô tan rã, những chiếc B-52G được phá hủy theo những điều khoản của Hiệp ước Cắt giảm vũ khí chiến lược (START). Theo đó có 365 chiếc máy bay B-52 sẽ bị phá hủy, và tiến trình này được phía Nga giám sát trực tiếp hay thông qua hình ảnh vệ tinh. Ngày nay chỉ còn phiên bản H hoạt động. B-52 đã chấm dứt việc tuần tra liên tục 24-giờ vào năm 1991.

Chiến tranh Vùng Vịnh và sau đó

Năm 1991 những chiếc B-52G xuất phát từ những căn cứ tại Anh Quốc và tại đảo Diego Garcia đã bay những phi vụ ném bom tầm thấp cho đến khi các lực lượng Liên quân chiếm được ưu thế trên không hoàn toàn và có khả năng khống chế mọi hệ thống phòng không có thể bắn tới các máy bay ném bom tầm cao. B-52 có vai trò quan trọng trong quá trình chiến dịch Bão táp Sa mạc (Desert Storm) vì chúng có thể được sử dụng mà tránh khỏi bị trừng phạt. Mặc dù tính phá hủy không cao so với các vũ khí hiện đại hơn như bom chùm hay đầu đạn dẫn đường chính xác, các kiểu tấn công thông thường được dùng vì chúng kinh tế; và vì được hy vọng sẽ làm mất tinh thần các lực lượng Iraq phòng thủ, thuyết phục họ đầu hàng hơn là bị tiêu diệt. Trong chiến tranh Vùng Vịnh B-52 chỉ bị thiệt hại một chiếc bị rơi, và nhiều chiếc khác bị hư hại nhẹ do các hoạt động đối phương.

Vào năm 1991 một chuyến bay B-52G xuất phát và kết thúc từ Căn cứ Không quân Barksdale, Louisiana, để tấn công mục tiêu tại Iraq. Đây là phi vụ chiến đấu dài nhất từng được thực hiện trong lịch sử vào lúc đó: Chuyến bay kéo dài 35 giờ và trải qua 14.000 dặm. Đến ngày 2 và 3 tháng 9 năm 1996, hai chiếc B-52H đã tấn công các mục tiêu tại Iraq với 13 tên lửa hành trình mang đầu đạn thông thường trong một phần của Chiến dịch Tấn công Sa mạc, một phi vụ kéo dài 34 giờ, trải qua 16.000 dặm từ Căn cứ Không quân Andersen, tại Guam. Chuyến bay này là một phi vụ chiến đấu dài nhất từng được thực hiện trong lịch sử. Chỉ hai ngày trước đó, đội bay đã hoàn tất chuyến bay kéo dài 17 giờ từ Louisiana đến Guam.

B-52 cũng góp phần vào chiến thắng của lực lượng Mỹ trong Chiến dịch Thực thi Tự do (Enduring Freedom) tại Afghanistan năm 2001, nhờ khả năng bay lâu bên trên chiến trường và hỗ trợ tấn công mặt đất qua việc sử dụng các vũ khí dẫn đường chính xác, một nhiệm vụ trước đây chỉ được giao cho máy bay tiêm kích và máy bay cường kích. B-52 cũng giữ vai trò chủ chốt trong Chiến dịch Iraq Tự do (Iraqi Freedom) năm 2003, khi nó hỗ trợ mặt đất và ném bom.