Chiếc nguyên mẫu đầu tiên XB-36 bay vào ngày 8 tháng 8 năm 1946. Tốc độ và tầm bay của chiếc nguyên mẫu không đạt những tiêu chuẩn do Không lực Mỹ đặt ra vào năm 1941. Như thường gặp trong những trường hợp thiết kế dưới những áp lực, chiếc XB-36 cũng gặp phải một số vấn đề. Ví dụ, chiếc B-29 Superfortress bị ảnh hưởng bởi những vấn đề của động cơ, và các động cơ có sẵn quá yếu để có thể cung cấp cho chiếc Boeing XB-15 một tốc độ tối đa hữu ích. Nhiều vấn đề của chiếc XB-36 là do sử dụng động cơ "đặt chỗ", những động cơ yếu kém hơn được trang bị tạm cho đến khi động cơ dự tính có mặt.

Chiếc máy bay thứ hai YB-36, bay lần đầu tiên ngày 4 tháng 12 năm 1947. Nó trang bị một nóc buồng lái được thiết kế lại kiểu "giọt nước" có tầm nhìn tốt, sau này được áp dụng khi sản xuất hằng loạt. Nói chung, chiếc YB-36 gần giống với kiểu sẽ được sản xuất. Thêm vào đó, những động cơ được sử dụng trên chiếc YB-36 tốt hơn nhiều, mạnh mẽ và hiệu quả hơn. Chiếc YB-36 được tiếp nối bằng chiếc sản xuất hằng loạt: một chiếc B-36A duy nhất được chế tạo với đầy đủ thiết bị để bay đến căn cứ không quân Wright-Patterson, nơi khung máy bay sẽ được thử nghiệm hoạt động thực sự.

Chiếc đầu tiên trong số 21 máy bay B-36A được giao hàng vào năm 1948. Chúng được sử dụng ở giai đoạn chuyển tiếp, dùng trong huấn luyện các đội bay và các chuyển đổi sau đó, không có vũ khí phòng vệ nào được trang bị vì chúng chưa sẵn sàng. Khi các phiên bản sau được đưa vào hoạt động, tất cả những chiếc B-36A được chuyển đổi sang kiểu trinh sát hình ảnh RB-36E. Phiên bản B-36 được đưa vào hoạt động thường xuyên đầu tiên là kiểu B-36B, việc giao hàng được bắt đầu từ tháng 11 năm 1948. Chiếc máy bay này đáp ứng mọi yêu cầu đặt ra vào năm 1941, nhưng có những vấn đề nghiêm trọng đối với độ tin cậy của động cơ, và sự cung cấp các vũ khí và phụ tùng thay thế. Những kiểu sau này được trang bị những phiên bản động cơ R-4360 mạnh hơn, radar cải tiến, và khoang dành cho đội bay được thiết kế lại.[27]

Bốn động cơ phản lực thêm vào đã làm tăng lượng nhiên liệu tiêu thụ và làm giảm tầm bay xa. Trong lúc đó, những tên lửa không-đối-không mới phát triển đã làm cho những khẩu súng ngắm bằng tay gắn trên các tháp súng trở nên lạc hậu, mà chúng cũng không được tin cậy. Đến tháng 2 năm 1954, Không quân Hoa Kỳ trao một hợp đồng cho Convair cải tạo làm giảm trọng lượng toàn bộ đội máy bay B-36 bằng cách áp dụng thiết kế mới "Hạng Lông" theo ba cấu hình:

• I: tháo bỏ 6 tháp súng và các thiết bị phòng vệ khác. Cho phép số thành viên đội bay giảm từ 15 còn 9 người.
• II: tháo bỏ khoang nghỉ ngơi dành cho đội bay phía sau thân, và các thiết bị nhằm mang được máy bay chiến đấu thử nghiệm XF-85.
• III: cả hai cấu hình I và II. Cho phép nó có tầm bay xa hơn và một trần bay cao ít nhất là 14.000 m (47.000 ft), đặc biệt rất có giá trị khi thực hiện các phi vụ trinh sát hình ảnh.

Cấu hình B-36J-III (14 chiếc cuối cùng được chế tạo) mang một tháp súng đuôi điều khiển bằng radar, các thùng nhiên liệu phụ trên cánh phía ngoài, và bộ càng đáp chắc chắn hơn cho phép trọng lượng tối đa đạt được 190.000 kg (410.000 lb). Việc sản xuất chiếc B-36 kết thúc vào năm 1954.[28]