Ngày 23 tháng 11 năm 1945, Không quân Hoa Kỳ công bố bản tiêu chuẩn tính năng kỹ thuật cho một chiếc máy bay ném bom chiến lược mới. Nó sẽ có một đội bay năm người cộng thêm các xạ thủ tháp súng và một nhân viên phi hành bổ sung. Nó phải đạt vận tốc bay đường trường 480 km/h (240 knot, 300 mph) ở độ cao 10.365 m (34.000 ft) và một bán kính chiến đấu 8.050 km (4.340 hải lý, 5.000 dặm). Vũ khí trang bị phải là một số (không xác định số lượng chính xác) pháo 20 mm và 4.535 kg (10.000 lb) bom.[2] Đến ngày 13 tháng 2 năm 1946, Không quân công bố việc mời thầu cho những tính năng này, và các hãng Boeing, Consolidated Aircraft, và Glenn L. Martin Company đã đưa ra các đề án.

Ngày 5 tháng 6 năm 1946, chiếc Kiểu 462xem bên phải của Boeing, một máy bay cánh thẳng lắp sáu động cơ turbo cánh quạt Wright T-35, trọng lượng 163.295 kg (360.000 lb) và bán kính chiến đấu 5.010 km (2.700 hải lý, 3.110 dặm), được công bố là máy bay thắng thầu.[2] Ngày 28 tháng 6 năm 1946, Boeing được ký hợp đồng trị giá 1,7 triệu Đô la (giá trị năm 1946, tương đương 17,5 triệu Đô la 2006) để chế tạo một mô hình mẫu kích thước thật của chiếc máy bay mới XB-52 để thực hiện các giải pháp kỹ thuật và thử nghiệm ban đầu. Tuy nhiên, đến tháng 10 năm 1946, Không lực bắt đầu nêu lên sự lo ngại về kích thước tuyệt đối của chiếc máy bay mới và khả năng không đáp ứng được các tiêu chuẩn đã đề ra. Để đáp ứng, Boeing đưa ra Kiểu 464, một phiên bản 4-động cơ nhỏ hơn, trọng lượng 104.325 kg (230.000 lb), được tin tưởng trong một lúc ngắn là sẽ được chấp nhận.

Rồi đến tháng tháng 11 năm 1946, Curtis LeMay (lúc đó đang là Tham mưu phó Nghiên cứu và Phát triển Không lực) nhấn mạnh đến yêu cầu phải có tốc độ bay đường trường 645 km/h (345 knot, 400 mph), nên Boeing đã đáp ứng bằng một kiểu máy bay nặng 136.080 kg (300.000 lb) aircraft.[2] Tháng 12 năm 1946, Boeing được yêu cầu thay đổi thiết kế trở thành một máy bay ném bom 4-động cơ có tốc độ tối đa 400 mph, tầm bay xa 19.320 km (10.430 hải lý, 12.000 dặm), và có khả năng mang vũ khí hạt nhân. Chiếc máy bay có thể nặng đến 217.725 kg (480.000 lb).[2] Boeing đáp ứng bằng hai kiểu máy bay cùng gắn động cơ turbo cánh quạt T-35. Kiểu 464-16 là máy bay ném bom hạt nhân tải trọng bom 10.000 lb, trong khi Kiểu 464-17 là máy bay ném bom thông thường tải trọng bom được 40.825 kg (90.000 lb).

Do vấn đề chi phí để trang bị hai kiểu máy bay chuyên biệt, Không lực chọn Kiểu 464-17 với thỏa thuận rằng nó có thể cải biến thành vai trò tấn công hạt nhân.[2] Khi các tính năng yêu cầu được cập nhật vào tháng 6 năm 1947, Kiểu 464-17 đáp ứng tất cả các đòi hỏi ngoại trừ tầm bay xa. Hơn nữa, toàn bộ chương trình bị phụ thuộc vào khả năng cung cấp động cơ T-35 của hãng Curtiss-Wright.

Đến lúc đó thì đã rõ là, cho dù với những tính năng đã được cập nhật, chiếc XB-52 cũng sẽ trở nên lạc hậu vào lúc được đưa ra sản xuất, mà tính năng cũng chỉ nhỉnh hơn chiếc Convair B-36 mà thôi. Kết quả là, toàn bộ chương trình bị tạm dừng trong sáu tháng. Trong thời gian này, Boeing tiếp tục hoàn thiện thiết kế được tích lũy qua chiếc Kiểu 464-29 có tốc độ tối đa 730 km/h (395 knots, 455 mph) và tầm bay 5.000 dặm.[2] Đến tháng 9 năm 1947, Ủy ban Ném bom Hạng nặng đã thu xếp để xác định các yêu cầu của một máy bay ném bom hạt nhân. Chính thức công bố ngày 8 tháng 12 năm 1947, nó yêu cầu một tốc độ tối đa 805 km/h (435 knot, 500 mph) và tầm bay 12.880 km (6.955 hải lý, 8.000 dặm), vượt xa những khả năng của 464-29. Đội bay được yêu cầu rút gọn còn 5 người và chỉ trang bị vũ khí tự vệ duy nhất là tháp súng đuôi.

Việc hủy bỏ toàn bộ hợp đồng với Boeing vào tháng 12 năm 1947 được tạm ngưng sau lời kêu nài của Chủ tịch Boeing William McPherson Allen, và đến tháng 1 năm 1948 Boeing được lệnh khảo sát kỹ càng mọi tiến bộ kỹ thuật gần nhất, bao gồm tiếp nhiên liệu trên không và cánh bay. Nhận thức được những vấn đề về độ ổn định và điều khiển mà Northrop gặp phải với những kiểu cánh bay ném bom thử nghiệm YB-35 và YB-49, Boeing vẫn khăng khăng dựa trên cấu trúc một máy bay thông thường, và đến tháng 4 năm 1948 họ đề nghị một kiểu thiết kế mới, trị giá hợp đồng 30 triệu Đô la (năm 1948, tương đương với 250 triệu Đô la năm 2006) cho việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hai chiếc nguyên mẫu Kiểu Model 464-35. Các hiệu chỉnh khác tính năng yêu cầu trong năm 1948 đưa đến kết quả là một chiếc máy bay có tốc độ tối đa 825 km/h (445 knot, 513 mph) ở 10.670 m (35.000 ft), tầm bay 11.125 km (6.005 hải lý, 6.909 dặm), và trọng lượng 127.000 kg (280.000 lb) bao gồm 10.000 lb bom và 75.225 L (19.875 US gal) nhiên liệu.[2]

Bước vào kỷ nguyên phản lực

Việc áp dụng động cơ phản lực có hiệu quả nhiên liệu tốt hơn cho phép Boeing phát triển thêm một phiên bản nữa vào tháng 7 năm 1948, Kiểu 464-40 thay động cơ turbo cánh quạt bằng động cơ turbo phản lực Westinghouse J40. Tuy nhiên, vào ngày 21 tháng 10 năm 1948, Boeing được yêu cầu chế tạo một kiểu máy bay hoàn toàn mới trang bị động cơ phản lực Pratt & Whitney J57. Đáng chú ý là vào ngày 25 tháng 10, các kỹ sư Boeing đưa ra đề nghị và một mô hình bằng tay thu nhỏ của kiểu 464-49. Thiết kế mới được xây dựng dựa trên kiểu sắp đặt của chiếc B-47 Stratojet với cánh chéo 35°, tám động cơ xếp thành bốn cặp gắn dưới cánh, bốn bộ bánh đáp 2-bánh kèm thêm bánh đỡ ngoài đầu mút cánh. Chiếc máy bay được dự định vượt qua mọi tiêu chuẩn kỹ thuật đặt ra.[2] Mặc dù việc khảo sát mô hình kích thước thật vào tháng 4 năm 1949 tỏ ra thuận lợi, vẫn còn sự quan ngại về tầm bay xa vì cả hai kiểu động cơ J40 và J57 đời đầu đều tiêu thụ nhiều nhiên liệu. Cho dù có những bàn luận về những sửa đổi trong tiêu chuẩn kỹ thuật, hay mở một gói thầu cho một thiết kế hoàn toàn mới, tướng LeMay, lúc này phụ trách Bộ Chỉ huy Không quân Chiến lược, nhấn mạnh rằng tính năng bay không thể thỏa hiệp vì sự chậm trễ trong việc phát triển động cơ.[2] Trong những cố gắng cuối cùng để gia tăng tầm bay xa, Boeing tạo ra kiểu 464-67 to hơn, tuyên bố rằng khi được sản xuất, tầm bay có thể gia tăng hơn nữa nhờ những cải tiến sau đó. Sau nhiều cuộc can thiệp trực tiếp bởi LeMay, ngày 14 tháng 2 năm 1951, Boeing giành được hợp đồng chế tạo 13 chiếc B-52A và 17 cụm trinh sát hình ảnh tháo rời được. Không lâu sau lại có thêm hợp đồng mua bốn chiếc B-52 và 43 chiếc phiên bản trinh sát RB-52. Thay đổi chủ yếu cuối cùng trong thiết kế, cũng do những yêu cầu của tướng LeMay, là thay đổi từ kiểu buồng lái ngồi theo hàng (trước-sau) kiểu B-47 thành kiểu ngang hàng cạnh nhau thông dụng hơn, sẽ làm cho công việc của phi công phụ hiệu quả hơn và giảm sự mệt mỏi của đội bay.[2]

Chiếc YB-52 (thực chất là chiếc XB-52 thứ hai với nhiều trang thiết bị hoạt động) cất cánh lần đầu ngày 15 tháng 4 năm 1952. Chuyến bay diễn ra bình yên. Chiếc XB-52 tiếp theo vào ngày 2 tháng 10 năm 1952. Công việc thử nghiệm và phát triển, bao gồm 670 ngày thử nghiệm trong hầm gió và 130 ngày thử nghiệm tính khí động học và độ chịu đựng diễn ra suôn sẽ. Bị thuyết phục, Không quân gia tăng số lượng đặt hàng lên 282 chiếc B-52.[2]

Chiếc được sản xuất đầu tiên B-52A khác những chiếc nguyên mẫu có mũi máy bay kéo dài thêm 53 cm (21 in) để chứa thêm các thiết bị điện tử, một tháp súng đuôi với bốn súng máy 12.7 mm (0.50 in), và một hệ thống phun nước vào buồng đốt để tăng công suất động cơ với thùng chứa 1.363 L (360 US gal) nước trong thân sau. Nó cũng được gắn ở mỗi bên chót cánh một thùng nhiên liệu bổ sung 3.785 L (1.000 US gal). Những thùng này có tác dụng làm đầm cánh chống rung động và cũng để giữ chót cánh thấp cho dễ bảo trì. Trong buổi lễ ra mắt chiếc sản xuất đầu tiên ngày 18 tháng 3 năm 1954, tướng Twining đã nói "...súng trường là vũ khí vĩ đại vào thời của nó... Hôm nay chiếc B-52 này là súng trường của thời đại hàng không."[2]

Tên chính thức Stratofortress (Pháo đài chiến lược) ít khi được dùng, trong khi đội bay và nhân viên có liên quan hay gọi nó là BUFF (Big Ugly Fat Fucker: tên xấu xí mập mạp ngu ngốc).[6][7][8][9]