При разработке своего самолета модели "Dash-80", совершившего первый полет в июле 1954 года и послужившего прототипом авиалайнеру Boeing 707, фирма Boeing с самого начала предусматривала его использование в качестве самолета-заправщика. Компания Boeing достаточно успешно продемонстрировала военным потенциал самолета для использования его в качестве танкера и всего через три месяца после первого полета прототипа компания получила контракт на поставку первой партии самолетов-заправщиков KC-135A Stratotanker.

Производство самолета-заправщика КС-135А было начато в 1956 году. Самолет предназначался прежде всего для увеличения радиуса действия стратегических бомбардировщиков В-52 Stratofortress. Всего было выпущено около 800 машин этого типа. Во внутрифюзеляжных и крыльевых баках самолета-заправщика может быть размещено до 86050кг, из низ 43500кг может быть использовано для дозаправки. На самолете установлена система дозаправки топливом в полете с помощью телескопической штанги. Эта система позволяет производить дозаправку только одного самолета, что в современных условиях считается недостаточным.

С целью повышения тактико-технических характеристик самолета на базе КС-135А была разработана модификация KC-135R, опытный образец которой совершил первый полет в августе 1982 года. Новая модификация оснащена четырьмя высокоэффективными турбовентиляторными двигателями F108-CF-100 с максимальной тягой каждого 9979кгс, имеет усиленное шасси и усовершенствованное радиоэлектронное, электрическое и гидравлическое оборудование. Модернизирована также система управления самолетом. Благодаря этим мерам самолет KC-135R принимает на борт на 6124кг топлива больше, чем КС-135А. Одновременно с этим значительно улучшены взлетно-посадочные характеристики самолета. С 1985 года ВВС США начали реализацию программы переоборудования в модификацию KC-135R большей части имеющихся в их распоряжении самолетов КС-135 для продления их срока службы до 2020 года.

В 1986 году на базе транспортной версии авиалайнера Boeing 707-300C был разработан новый вариант топливозаправщика, получивший обозначение KC-137 Stratotanker. Cамолет предназначается в основном на экспорт, строится по лицензии в Италии и Израиле. Может оборудоваться подвесными контейнерами для заправки по типу "штанга-конус", что позволяет заправлять в воздухе два самолета одновременно.

• KC-135A - первая серийная модификация
• KC-135B - модификация с ТРДД Pratt Whitney TF33-P-5
• KC-135D - разведывательные самолеты RC-135А, переоборудованные в танкеры
• KC-135E - самолеты Национальной гвардии модернизированные в 1982 году с ТРДД Pratt Whitney TF33-P-100
• KC-135R - вариант с ТРДД CFM CFM56-2B-1 (военное обозначение двигателя F108-CF-100)
• C-135FR - вариант для Французских ВВС с ТРДД SNECMA CFM56
• KC-137 - экспортный вариант на базе Boeing 707-300C