Модифицированные самолеты В-52 применялись также как носители аппаратов с несущим корпусом HL-10/ M2F3/X-24 (предшественников ВКС "Спейс Шаттл") и (с середины 1960-х годов по 1973 г.) беспилотного разведчика Локхид D-21, для обеспечения воздушного старта крылатой ракеты-носителя "Пегас" (первый пуск состоялся 5 апреля 1990 г.), в качестве летающих лабораторий при проведении различных исследований (например, для испытаний двигателей самолетов Боинг 747 и Локхид С-5).

Первая водородная бомба была сброшена с В-52 21 мая 1956 г. В последующие годы ряд рекордных полетов продемонстрировал высокие характеристики самолета: в ноябре 1956 г. были выполнены беспосадочные полеты вокруг североамериканского континента и через северный полюс дальностью 27000 км; 18 января 1957 г. три бомбардировщика В-52 совершили кругосветный полет, пролетев 39750 км за 45 ч 19 мин при средней скорости около 850 км/ч; 11 января 1962 г. самолет установил рекорд дальности без дозаправки топливом в полете, преодолев 20168 км за 22 ч 9 мин.

В-52Е был выпущен в количестве 100 экз. Главным его отличием от "D" был состав бортового радиолокационного оборудования, позволяющего проводить прорыв к цели на сверхмалых высот ниже 60 м.

Часть самолетов В-52 на протяжении многих лет несла постоянное боевое дежурство на аэродромах в состоянии готовности к взлету с ядерным оружием на борту. В 1960-х годах в течение нескольких лет с использованием около 10 самолетов В-52 было организовано круглосуточное дежурство в воздухе. К осени 1963 г. для уменьшения вероятности поражения самолетов В-52 на земле был завершен переход на рассредоточенное базирование 42 сформированных эскадрилий (по 15 самолетов в каждой) не менее чем на 36 аэродромах. К 1988 г. число авиабаз с бомбардировщиками В-52 уменьшилось до 12. К этому времени все самолеты налетали 6,6 млн. ч, в летных происшествиях был потерян 71 самолет. К началу 1990-х годов на постоянном боевом дежурстве находилось 40 стратегических бомбардировщиков В-52 и В-1. В сентябре 1991 г. в связи с изменением геополитической обстановки в результате распада СССР президент США Дж. Буш объявил об их снятии с дежурства в состоянии готовности к ядерному удару.

89 B-52F отличались установкой новых двигатель на треть большей взлетной мощностью J57-P-43W. Самолеты также получили внешние держатели для обычных бомб, способные принять большую боевую нагрузку.

B-52G стал первым вариантом бомбардировщика с укороченным килем - результат борьбы за сокращение веса пустого самолета. Кроме того, стрелка из хвостовой части перевели в кабину пилота - он управлял хвостовой стрелковой установкой дистанционно. Сокращение веса пустого самолета позволило разместить больший запас топлива, отказаться от больших подкрыльевых топливных баков и увеличить дальность полета. На пилонах этого B-52G подвешены ракеты "Хаунд дог".