В мае 1934 года Армия США выпустила требования на перспективный многомоторный бомбардировщик, способный перевозить бомбовую нагрузку до 907кг на дальность до 3540км со скоростью 402км/ч. Проектные работы над четырехмоторным Boeing Model 299 началась в середине июня 1934 года, а в июле 1935 года самолет впервые поднялся в воздух. Всего через три недели он совершил беспосадочный перелет на 3380км со средней скоростью 406км/час - впечатляющее достижение, которое предвещало хорошее будущее.

Опытный самолет был оснащен четырьмя звездообразными двигателями Pratt & Whitney R-1680-Е Hornet мощностью 750л.с. Он представлял собой свободнонесущий моноплан с нижним расположением крыла. При этом крыло в корневой части было настолько толстым, что его высота составляла половину диаметра круглого фюзеляжа. Закрылки на большей части размаха крыла служили для снижения взлетной и посадочной скорости. Трехопорное шасси с хвостовым колесом убиралось с помощью электропривода. Вооружение включало пять пулеметов и максимальную бомбовую нагрузку до 2177кг во внутреннем отсеке.

Несмотря на то, что через три месяца опытный экземпляр по вине техперсонала потерпел катастрофу на взлете, авиационный корпус армии США решил приобрести 13 предсерийных машин Y1B-17. Первый самолет Y1B-17 взлетел в декабре 1936 года и отличался от опытного экземпляра звездообразными двигателями Wright Cyclone GR-1820-39 мощностью 930л.с., экипажем из девяти человек и незначительными изменениями. Последний самолет из этой серии переоборудовали для испытаний турбокомпрессоров для повышения давления воздуха на входе в двигатель на большой высоте. Воздух при сжатии в компрессоре сильно нагревался и для его охлаждения перед подачей в двигатель в передней кромке крыла установили промежуточный охладитель.

Y1B-17A совершил первый полет в апреле 1938 года. Первоначально конструкторы разместили турбонагнетатели горизонтально на верхней части мотогондол, но такое расположение оказалось неприемлемым для нормальной работы нагнетателя и вызывало вибрации. Поэтому их перенесли в нижнюю часть мотогондол. После успешного завершения испытаний обозначение самолета было изменено на B-17A, а турбонагнетатели стали стандартным оборудованием на всех бомбардировщиках Flying Fortress.

Первым серийным вариантом Flying Fortress стал B-17B. Внешне он отличался рулем направления большей площади, большими закрылками и измененной носовой частью. Носовая турельная установка пулемета была переведена в верхнюю переднюю часть плексигласового носового обтекателя, в нижней части которого имелась стеклянная плоская панель для бомбоприцела. Место штурмана переместили в носовую часть, где он имел лучший обзор. На крыше кабины пилотов немного позади кресел пилотов появился небольшой сферический плексигласовый купол. В качестве силовой установки самолет получил более мощные двигатели R-1820-51, которые развивали взлетную мощность 1200л.с.

Над окном в носовой части был установлен гиростабилизированный прицел Norden. Новый бомбоприцел отслеживал отклонения курса самолета от расчетного и выдавал поправку. В более поздних версиях бомбоприцел Norden был объединен со специальным автопилотом, управляющим самолетом во время подхода к цели. Задача бомбардира заключалась в нацеливании оптического визира на гироскопической платформе на нужный объект и передаче дальнейших действий автомату. Тот отслеживал отклонения курса от расчетного, корректировал их с помощью рулей самолета и в нужный момент осуществлял сброс бомб.

Первый B-17B совершил первый полет в июне 1939 года. Всего было построено 39 машин этой серии.

Еще в ходе выполнения заказа на В-17В в 1939 году ВВС армии США разместили заказ еще на 38 Flying Fortress, получивших в армии обозначение B-17C. На этих самолетах убрали каплевидные блистеры по бокам фюзеляжа в хвостовой части, которые сильно ограничивали секторы обстрела пулеметов в вертикальной плоскости и создавали дополнительное аэродинамическое сопротивление. Чтобы избежать перепроектировки хвостовой части, окнам на месте блистеров сохранили овальную форму. В каждом окне имелся один 12,7мм пулемет Colt-Browning М-2. Под фюзеляжем установили гондолу с 12,7-мм пулеметом, аналогичною установленной на немецком среднем бомбардировщике Heinkel He.111. Надфюзеляжный блистер в отделении радиста заменили гладкой плексигласовой панелью, в которой имелось гнездо для одного 12,7-мм пулемета. Вместо одного гнезда в центре носовой части появилось шесть гнезд по сторонам для установки переносного 7,62-мм пулемета. Огонь из пулемета можно было вести из любого из этих гнезд.

На самолете смонтировали протектированные топливные баки и дополнительную бронезащиту экипажа. Кроме того на самолетах применили разделенную кислородную систему в кабине экипажа и улучшенную схему распределения топлива. Силовая установка состояла из четырех звездообразных двигателей с турбонаддувом Wright GR-1820-65 Cyclonе взлетной мощностью 1200л.с.

Самолет B-17C был первым вариантом этого бомбардировщика, который поставлялся Королевским военно-воздушным силам Великобритании. Использование этих машин при дневных бомбардировках показало, что боевая высота их полета не является достаточной защитой и что они нуждаются в более грозном защитном вооружении, поскольку истребители Messerschmitt Bf.109F легко осуществляли их перехват на высотах до 9750м.

Боевой дебют В-17 оказался не слишком удачным. Экипажи В-17 столкнулись с многочисленными механическими проблемами в ходе вылетов. Смазка пулеметов имела тенденцию замерзать на больших высотах, защитное вооружение оказалось полностью неадекватным для отражения атак вражеских истребителей. Кроме того возникли проблемы с точным поражением целей при бомбардировке с больших высот. Английские экипажи, практически не имевшие опыта обращения с самолетами класса В-17, не смогли использовать все возможности самолета. Но несмотря на сложности, британские экипажи были весьма довольны Fortress, поскольку самолет оказался легким и приятным в управлении, достаточно маневренным и аэродинамически устойчивым при сбросе бомб.

В апреле 1940 года USAAC заказали еще сорок два B-17. Поскольку эти самолеты несколько отличались от первоначального варианта, то они получили новое обозначение B-17D. Было улучшено протектирование топливных баков и установлено несколько дополнительных бронеплит для защиты экипажа. Защитное вооружение возросло до одного 7,62мм и шести 12,7мм пулеметов. Количество членов экипажа возросло до десяти.

Первый B-17D полетел в феврале 1941 года. Большинство этих самолетов было направлено на Тихий океан.

Первой версией Flying Fortress, производившейся в больших количествах, стал B-17E, который был создан с учетом опыта боевого применения B-17. Для устранения "мертвой" зоны за хвостом, конструкторы разработали для B-17E новую хвостовую часть фюзеляжа, где разместили турельную установку с парой 12,7мм пулеметов. Чтобы достичь лучшей стабильности в ходе сброса бомб, был увеличен размер горизонтального и вертикального хвостового оперения и добавлен длинный форкиль.

На верхней части фюзеляжа сразу за кабиной пилотов была установлена турельная установка с электрогидравлической системой управления со спаренными 12.7-мм пулеметами. Овальные окна по бокам фюзеляжа в были заменены на прямоугольные, в каждом из которых был установлен 12,7мм пулемет. Подфюзеляжную гондолу заменили на турельную установку Bendix с дистанционным управлением.

Первый опытный образец B-17E впервые поднялся в воздух в сентябре 1941 года. Увеличившийся вес самолета и дополнительное аэродинамическое сопротивление турельных установок сделали B-17E несколько медленнее своего предшественника B-17D. Зато значительно улучшилась защита самолета. Потребность американской авиации в В-17 была очень высокой и к его производству подключились компании Lockheed и Douglas Aircraft.

Дистанционное управление с помощью перископа подфюзеляжной турельной установкой на практике оказалось очень трудным, и установку Blendix вскоре заменили шаровой турельной установкой Sperry. Для ведения огня стрелок должен был находиться внутри турельной установки в очень неудобной согнутой позе. Поскольку внутренний объем шаровой турельной установкой Sperry был крайне ограничен, стрелками старались брать людей малого роста.

Попасть в B-17Е можно было тремя путями: через носовой люк, размещенный внизу слева, основную дверь перед правым стабилизатором, и аварийный люк хвостового стрелка под правым рулем высоты. Большинство экипажей B-17Е входило в самолет через основную дверь, поскольку этот вход был самым просторным, а члены экипажа были одеты в теплые летные костюмы и несли на себе парашюты. Рядом с носовым люком имелся стол штурмана, над которым располагался небольшой астрокупол.

Всего было выпущено 512 бомбардировщиков этой модификации. Некоторые В-17Е использовались для испытаний или были переданы другим государствам. Один самолет в 1943 году был переоборудован в специальный транспортный самолет XC-108 для генерала Douglas MacArthur. Кроме этого, в транспортный вариант XC-108 было переоборудовано еще несколько машин.

В начале 1942 года была разработана новая модификация B-17F, которая сменила на сборочных линиях B-17E. Внешне самолет отличался прозрачным носовым обтекателем без оплетки. На самолете применили наружные бомбодержатели, широколопастные винты Hamilton Standard, установили усовершенствованную кислородную систему и пылевые фильтры на воздухозаборниках карбюраторов. Также на самолете появилась новая шаровая турель, усиленное шасси, дублированная тормозная система, дополнительное фотооборудование, электронная связь между автопилотом и бомбоприцелом Norden, дополнительная шаро-гнездовая пулеметная установка в носу. Изменения претерпела и силовая установка самолета: были установлены двигатели Wright Cyclone новой модели R-1820-97, которые развивали военную кратковременную чрезвычайную мощность 1380л.с. Еще одним важным нововведением стали протектированные масляные баки двигателей.

Наиболее часто использовалась следующая комбинация защитного вооружения: один переносной 7,62мм пулемет и два 12,7мм пулемета в носовой части, два 12,7мм пулемета в надфюзеляжной турельной установке, два 12,7мм пулемета в боковых окнах, один 12,7мм пулемет в крыше отделения радиооператора, два 12,7мм пулемета в шаровой турельной установке и два 12,7мм пулемета в хвостовой установке. Максимальная бомбовая нагрузка с использованием внешней подвески достигала 9400кг, но дальность полета с такой нагрузкой была невелика и все маневры самолета были строго ограничены.

B-17F поступили на вооружение Воздушной армии США в Европе и использовались в ходе первого налета американских самолетов на Германию 27 января 1943 года. Первые же вылеты B-17F в Европе показали, что самолет был практически беззащитен для лобовых атак вражеских истребителей. Необходимо было усилить оборону передней полусферы.

B-17G был поставлен на поточную линию в июле 1943 года и стал самым массовым вариантом Flying Fortress. Наиболее значимым отличием новой модели было появление передней турельной установки Bendix с двумя 12.7-мм пулеметами Colt-Browning, смонтированной под носовой частью. Турель обеспечивала защиту передней полусферы и не закрывала штурману круговой обзор. Чтобы освободить место для турели, антенну радиокомпаса переместили назад. Теперь B-17G нес на борту тринадцать 12,7-мм пулеметов. В ходе производства надфюзеляжная турельная установка Sperry была заменена подобной установкой производства Bendix, которая имела более высокую скорость поворота и обеспечивала лучший обзор.

Самолет получил усовершенствованное бортовое радиоэлектронное оборудование: систему ближней навигации Loran; систему предупреждения о приближающемся со стороны хвостовой части самолете Monica Mk.IIIA; постановщик высокочастотных помех Jostly Mk.IV; систему создания помех для РЛС немецких истребителей Carpet.

Кроме этого, на некоторые самолеты устанавливалась дальняя навигационная система с радиомаяком Oboe, которая была настолько точной, что ее можно было применять при бомбометании вне видимости цели. Самолет, имевший такой прибор, наводился на цель при помощи двух наземных радиостанций.

Начиная с января 1944 года все новые B-17G не имели камуфляжа. Позже самолеты оборудовали новой хвостовой турельной установкой Cheyenne. Установка имела рефлекторный прицел вместо применявшегося ранее кольцевого и значительно больший сектор обстрела. С этой установкой B-17G стал на пять дюймов короче. На последующих версиях правая амбразура была смещена несколько вперед относительно левой. При этом стрелки получили больше пространства для работы. Вскоре общепринятым стало иметь в полете только одного стрелка, обслуживавшего обе бортовые стрелковые точки.

С точки зрения пилота, одним из самых нужных добавлений на B-17G была так называемая "строевая ручка": устройство для управления тяжело нагруженной машиной в плотном строю. По своей сути "строевая ручка" была электрическим бустером рулевой колонки, управление которой осуществлялось пистолетной рукояткой, закрепленной на рулевой колонке. Она впервые появилась в начале 1945 года.

По мере совершенствования машины, возрастал ее вес и поэтому летные данные B-17G (максимальная скорость, практический потолок и радиус действия) резко упали. Однако это не имело большого значения для выполнения операций в Европе. Управляемость B-17G осталась хорошей, самолет был послушным и приятным в полете. К моменту завершения производства в 1945 году всего было построено 4035 машин компанией Doeing, 2395 компанией Douglas и 2250 было выпущено компанией Lockheed-Vega.

Многие B-17G, потрепанные войной и больше непригодные для боевых действий, долетывали свои дни как санитарные, буксировочные и транспортные машины. В большинстве случаев турели, вооружение и бронирование снимались.

С самого начала войны на Тихом океане американцы нередко применяли бомбардировщики В-17 в качестве дальних разведчиков. В 1942 году была выполнена пробная переделка B-17F в дальний фоторазведчик F-9. Всего выпустили 51 разведчик, которые стояли только на вооружении ВВС США. Кроме этого, в Великобритании бомбардировщики B-17G со специальным оборудованием выявляли местонахождение радиолокационных станций и постов наведения системы ПВО Германии, а также использовались как самолеты радиопротиводействия при массированных ночных налетах, создавая активные и пассивные помехи.

Разведчики на базе В-17 сохранялись на вооружении ВВС США и после войны, в 1948 году их переименовали в RB-17. Отдельные машины этого типа эксплуатировались в Береговой охране США до 1959 года.

За время войны в небе над Европой было сбито и совершило вынужденные посадки большое количество бомбардировщиков B-17. Первый экземпляр B-17F попал в руки немецких специалистов в декабре 1942 года, когда полученные повреждения заставили экипаж пойти на вынужденную посадку на голландский аэродром, контроллируемый немцами. Благодаря прочной, надежной конструкции, даже после жесткой вынужденной посадки самолет нередко восстанавливали, и в результате на службе Luftwaffe оказалось около 40 пригодных к полетам B-17. Эти самолеты скрывались под обозначением Dornier Do.200.

Самолеты Do.200 с немецкими опознавательными знаками использовались для отработки тактики атак и обучения летчиков-истребителей методике боя с американскими бомбардировщиками. Имеются сообщения, что иногда Do.200 применялись для уничтожения бомбардировщиков - пристроившись к строю выходящих из атаки B-17, немецкий самолет открывал огонь из бортового оружия по соседним бомбардировщикам и наводил по радио истребители. Несколько Do.200 сохранили оригинальную окраску и опознавательные знаки USAAF и применялись для заброски агентов на занятую союзниками территорию или для снабжения секретных баз.

В 1945 году было запланировано специально переоборудовать около 130 B-17G в поисково-спасательный самолет. Разработка такого самолета началась еще в 1943 году. Самолет оснастили спасательной шлюпкой Higgins А-1, размещенной под фюзеляжем. Сбрасываемая спасательная шлюпка имела длину 8,2 метра и вес 1360кг и оснащалась двумя двигателями. Она была непотопляемой и имела на борту неприкосновенный аварийный запас. Переоборудованные таким образом самолеты получили название B-17H.

Некоторые самолеты были предназначены для полетов в районах боевых действий и сохраняли свое защитное вооружение. На других защитное вооружение было полностью снято и вместо турельной установки в нижней передней части фюзеляжа разместили поисковую РЛС. После создания в 1948 году US Air Force, B-17H были повторно обозначены как SB-17G (search-and-rescue). Эти самолеты были списаны к середине пятидесятых годов.

Самолеты, которые для патрульных полетов и поисково-спасательных работ использовал Флот, получили обозначение PB-1 Naval Fortress. Они также использовались для отслеживания перемещения айсбергов и для картографии.

Двадцать четыре самолета были переделаны в противолодочный вариант PB-1W. Самолеты получили дополнительные внутренние топливные баки для расширения района патрулирования, а под фюзеляжем был установлен большой обтекатель поисковой РЛС General Electric AN/APS-20. Кроме радара на самолеты установили систему распознавания "свой-чужой" IFF (Identification Friend or Foe) и радиооборудование AWACS (Airborne Warnings And Control Systems). Поскольку к моменту готовности первого PB-1W война уже закончилась, то с самолетов было снято все защитное вооружение. Первичной задачей самолетов было дальнее обнаружение кораблей и подводных лодок противника, а также противолодочные действия и разведка погоды (предупреждение об ураганах). PB-1W находились в эксплуатации вплоть до 1955 года и постепенно были заменены самолетами Lockheed WV-1.