B-17B
1937年11月，波音公司获得了美国陆军10架B-17B型轰炸机的合同，后又追加了29架。B-17B与Y1B-17A一样，均加装了涡轮增压器，同时改进了飞行员视界，特别是装备的新型诺顿瞄准器使投弹精度大幅提高。此外B-17B加大了方向舵，同时还在主翼下增设了额外的炸弹挂架。首架B-17B在1939年6月27日进行了首飞，同年10月开始交付，次年3月全部交付完毕。这批B-17B在加利福尼亚州的汉密尔顿机场组建了第7轰炸机大队。
B-17C
1939年美国军方向波音公司订购了38架B-17C轰炸机。B-17C换装4台1200马力的R-1820-65发动机，使其在7620米高度的时速达到502千米/小时。另外大幅加强了自卫能力，机背炮塔改为低阻外形的透明遮篷，机腹炮塔改为类似浴盆的炮塔舱，所有机枪塔上均装备12.7毫米机枪一挺，机首仍保留7.62毫米机枪。另外加装了额外的装甲以保护乘员，同时使用了自封油箱。第一架B-17C于1940年7月21日试飞，同年8月开始交付部队。
B-17D
1940年美国陆军向波音公司订购了42架B-17D轰炸机。B-17D的机腹及机背炮塔全部改装2挺12.7毫米机枪，改进电力、燃油及氧气系统，加装额外装甲板和炸弹挂架。为了改善发动机的冷却效果，在B-17D发动机整流罩上加装了后缘副翼，这是B-17D与B-17C最大的不同。B-17D在1941年初交付后大多分配给驻夏威夷的第5轰炸机大队和驻菲律宾的第19轰炸机大队，执行拦截/侦察任务。1940年4月，美国陆军航空队扩编为陆军航空兵。
B-17E
欧洲战场的经验暴露了B-17D轰炸机的诸多不足之Γㄒ艄疽栽銮孔晕阑鹆ξ氐阊懈慕瞥隽薆-17E轰炸机。美国陆军航空兵在1940年夏预订了812架B-17E轰炸机。B-17E采用了全新的机尾，以增设机尾炮塔，垂直尾翼也大幅增大，以改善高空操纵性能。同时把机身两侧的机枪座窗改为正方形，以增加机枪手视野。另外在驾驶舱后机背部位装一座电动双联机枪塔，这些改进使B-17E的自卫火力剧增至10挺12.7毫米机枪，机身也因而从20.7米加长至22.5米，全机高度由4.7米增加到5.82米，最高速度降至510千米/小时。
B-17F
1942年5月30日，新的改型B-17F首飞成功。B-17F轰炸机换装了1380马力的R-1820-97型发动机，螺旋桨也改用新型宽叶螺旋桨（直径达3.5米）。增装了机翼内侧炸弹挂架，使载弹量增加。而驾驶系统与投弹瞄准系统间的自动协调装备的使用，更使B-17F如虎添翼。由于动力系统做了改进，使B-17F的作战高度可以到达11580米，最高飞行速度提升到515千米/小时。B-17F试飞成功后，原本预定生产的B-17E全部改为B-17F标准，因此B-17E实际仅生产了512架。
为了适应实战的需要增加产量，道格拉斯及洛克希德公司也参与了B-17F轰炸机的生产。3405架B-17F中，洛克希德公司生产了500架，道格拉斯公司生产了605架，而波音公司则生产了2300架。
B-17G
1943年7月开始投产B-17G轰炸机是“飞行堡垒”家族中产量最多的型号。B-17G最显著的外形特征就是机头下部增加了“邦迪克斯”动力炮塔，内置2挺12.7毫米机枪，这个炮塔是YB-4D留下的遗迹，波音原本打算将引入邦迪克斯炮塔的型号作为B-17的135批次，但由于改动较大而赋予新的型号B-17G。
B-17G轰炸机后机身的机枪窗口改为封闭舷窗。机枪通过下方的开口进行射击、使炮手免受风吹之苦。B-17F后期型引入的颊部机枪窗口继续沿用在G型上，颊部机枪窗口是为改善前机身两侧机枪前向射界而设置的由于有了颚部炮塔和颊部机枪，取消了机鼻和前机身的7.62毫米球形机枪座，全机的防御武器统一为12.7毫米口径机枪。B-17G轰炸机的防御火力多达13挺12.7毫米机关炮。联合生产B-17G“堡垒”的三家工厂都生产了B-17G，1943年末，B-17G轰炸机进入第8和第15航空军服役。
1944年1月，新出厂的B-17G开始取消涂装，这些飞机裸露着银光闪闪的铝制蒙皮投入作战一方面可以减少工时，另一方面是因为德国空军已经很虚弱，盟军飞机在涂装上的重点是快速、容易地进行空中识别。
后期型的B-17G轰炸机开始使用绰号“夏延”尾炮塔。新的炮塔配备了反射式瞄准器而不是以前的圆圈准星，由于更换了尾炮塔，这些B-17G比早期型短了12.7厘米。B-17G后期型中、腰部机枪窗口也交错排列防止左右炮手互相干扰，另外还去掉了无线电操作员的机枪，这样使腰部机枪的弹药增加到600发。
1945年B-17G轰炸机生产结束时，波音公司生产了4035架，道格拉斯公司生产2396架，洛克希德公司的威加工厂生产2250架。
改型型号
RB-17G
RB-17G电子侦察机，是美国B-17轰炸机的侦察改型，曾被称为F-9（F为Photo首音，照相侦察机之意）。
F-9系列是B-17轰炸机的照相侦察改型。第二次世界大战中有16架B-17F被改装成F-9侦察机，拆除了轰炸装备，并在机鼻和后机身安装了照相侦察设备用于执行远程侦察任务，保留了一部分防御武器。还有一部分B-17被改装成F-9A，仅在照相设备的配置方面与F-9不同。F-9B共有25架，一部分由F-9A升级而来，一部分改装自B-17F。
另外还使用B-17G改装了10架F-9C，照相设备与F-9、F-9A/B稍有不同，拆除了颚部炮塔并在安装了照相机。1948年美国空军成立后、幸存的几架F-9C按照新的命名规则，重新定名为RB-17G。
20世纪60年代，台湾为了维系“美台关系”与获得美援，派出台湾空军第34中队（“黑蝙蝠中队”）替美国中央情报局执行侦察中国大陆的任务，而使用的机型中就有在B-17G基础上改装的RB-17G电子侦察机。与美军的RB-17G侦察机主要进行空中侦察拍照不同，台湾的RB-17G侦察机只在夜间执行侦察任务，该机无法进行侦察拍照任务，其侦察的重点则是无线电通信、雷达信号等电子信号。台湾空军第34中队的RB-17G为进行长距离的夜间侦察飞行，拆除了机头、机背和机腹的炮塔，以减轻重量、扩大机上空间和增加航程。虽然也被称为RB-17G，但两者差别很大。
其它改型
在“飞行堡垒”的服役生涯中，有许多剩余的B-17被改为遥控靶机而消耗掉。二战中就有一些老旧的B-17（主要是F型）被改装成BQ-7遥控炸弹用以对付具有重型防护的德军目标。
二战后在原子弹试验中曾使用过无人驾驶的遥控B-17接近或穿越蘑菇云。1946年5月，16架封存的B-17重新启用被改装成无人机，加装了无线电、雷达、电视摄像机和其他设备，另有六架B-17被改装成控制机。大部分工作在德克萨斯州凯利（Kelly）机场完成。1946年美国在南太平洋的比基尼岛进行了原子弹试爆，代号“十字路口行动”（Operation Crossroads），B-17遥控机进行了空气采样。美国空军成立后，控制机型号改为DB-17G，无人机的型号改为QB-17G。在1952年进行的核弹试爆中，无人机主要由来自佛罗里达州埃格林（Eglin）空军基地的第3205无人机大队操作。
QB-17L型号被赋予给那些战后改装的各种用途的B-17G无人机。这些飞机通常是作为导弹测试的靶机，有时也安装电视摄象机用于拍摄接近中的导弹。这些飞机通常涂成醒目的橘红色并镶以黑色斜纹以增加可视性。并在垂尾的序列号之前都加上个O以表明这些是废弃的飞机，不属于军队现役航空器。被改装成QB-17和DB-17的飞行堡垒都是崭新的战后封存的飞机。
大部分QB-17L在早期的耐基（Nike Ajax，MIM-3）地空导弹或者休斯猎鹰（Falcon，AIM-4）空空导弹的测试中被摧毁。其他一些QB-17L用于各种无人驾驶的破坏性测试，例如NACA在旧金山湾进行的水上迫降试验。1959年8月6日DB-17/QB-17联合进行了最后一次任务，44-83727号靶机被F-101巫毒（VOODOO）截击机发射的猎鹰导弹击落，最后一架QB-17L在1960年被一枚AIM-99地空导弹摧毁。
