1956年7月18日，第一架KC-135A下线的庆祝仪式，注意远处的KC-97G
1956年7月18日星期三，当第一架KC-135A“同温层加油机（Stratotanker）”从波音公司位于伦顿（Renton）工厂下线时，数百名波音公司的员工参加了庆祝仪式。这架序列号为55-3118的新飞机被停放在一架KC-97G附近，裸机的金属本色在阳光下闪闪发光。参加仪式的工人、嘉宾和新闻记者，可以很容易地观察到“同温层加油机”和其前代相比在各方面所取得的重大进步。仅仅八年后，在1964年的最后一天，KC-135加油机的最后一架就下线了——它是序列号为64-14849的KC-135B。在这期间，波音公司的生产率可以用惊人来形容，每隔三到四天就有一架新的C-135飞机与B-52“同温层堡垒（Stratofortress）”轰炸机和波音707喷气式客机一起下线。最终，波音为美国空军总共生产了约820架“-135系列飞机，另外为法国空军也生产了12架。
从第一架飞机离开工厂起，C-135系列飞机将在2020年迎来它的64岁生日。目前，这些飞机中大约有一半仍在服役。另外有大约260架飞机在退役后，被存放在位于亚利桑那州戴维斯-蒙特罕空军基地著名的“飞机坟场”中。它们中的一些已经重新服役以填补美国空军的飞机缺口，另外有少量在被翻新后，出口到智利、法国、新加坡和土耳其。剩下的许多在完全报废回炉之前，拆除了所有可重复使用的零件。后者成为了仍在服役的飞机的零备件。
根据美国空军的官方数字，现在仍有426架飞机在服役。最古老的机体的序列号为57-1419。它于1958年6月27日由波音公司位于摩西湖（Moses Lake）的工厂交付给相距极近的华盛顿州费尔柴尔德空军基地（Fairchild AFB），加入了第92空中加油中队（Air Refueling Squadron，ARS）。这架KC-135机队中祖父级别的飞机最近再次成为新闻人物。它将是位于新罕布什尔州皮斯空中国民警卫队基地（Pease ANGB）第133ARS的最后一架移交其他部队的飞机，因为该单位已被确定为空中国民警卫队中第一个使用新型波音KC-46A“飞马座”加油机的部队。这次飞机转移是KC-46服役后正在进行的许多类似重组工作中的第一个。但是由于目前计划波音新加油机的生产计划仅包括179架飞机，因此KC-135在未来相当长的时间内，仍将在天空飞翔。
KC-135的前身KC-97“同温层货机”
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问题多多，超支严重的KC-135的替代者KC-46“飞马座”加油机
强大的加油机
1957年6月，第一架KC-135A加油机在加利福尼亚州的卡斯托空军基地（Castle AFB）加入美国空军战略空中司令部（Strategic Air Command，SAC）。该机型的服役年限超过了麦克唐纳·道格拉斯（McDonnell Douglas）公司的KC-10A“增程者”，其最老的飞机（序列号79-0433）在38年前服役。根据目前的计划，“增程者”将在这个十年的某个时候从美国空军退役。但是KC-46的延误和持续存在的问题意味着美军不得不继续投资维持KC-135加油机部队。美军空中机动司令部（Air Mobile Command，AMC）被迫在2020财年从KC-46项目中拿出5700万美元用于维持KC-135部队。AMC报告说，它现在期望保留大量“同温层加油机”直到2050年。
美国空军现在拥有五种型号，393架现役KC-135R加油机。这些飞机包括313架常规KC-135R加油机；八架配备有受油装置以接受空中加油的KC-135R(RT)飞机，又被称为空中加油接收机（Air Refueling Receiver，ARR）；20架KC-135R多点加油系统（Multi-point Refueling System，MPRS）飞机；一架NKC-135R测试飞机和51架KC-135T加油机。这些T型变型最初被称为KC-135Q，拥有和KC-135R不同的改进的空中和地面加油系统。
基本型KC-135R目前正处于其能力顶峰。通过“漫步者（Pacer）”罗盘，雷达和卫星导航（Compass Radar and GPS，CRAG）项目和随后的全球空中交通管理（Global Air Traffic Management，GATM）项目对座舱进行了升级。用新的通用电气F108-GE-100（CFM56）涡扇发动机代替了原来的普惠公司J57发动机，可节省大量燃油，并提供更大的起飞重量，更快的爬升率和更大的航程。
八架KC-135R ARR能够在飞行中接收和分配燃料。它们在座舱上方有一个在上世纪60年代安装的受油装置。当时，这些飞机承担的是专门的空中指挥所和侦察任务。
20架MPRS飞机在外机翼下方配备了飞行加油有限公司（Flight Refueling Limited，FRL）的Mk32B软管和锥套空中加油吊舱，可以为安装受油管的飞机进行加油。非MPRS的KC-135可以使用硬管锥套适配器（Boom-Drogue Adapter，BDA）为配备受油管的飞机提供燃料。但是，装上适配器的硬管就不能以传统方式给美国空军的飞机加油了。
最初，有45架改装飞机和33套外挂吊舱的需求，但是因为故障零件在内的各种问题使MPRS的总数减少到了20架。可靠性问题导致MPRS系统在其服役的头十年使用率非常低，但这种情况已经得到了根本改善，现在MPRS加油机的使用非常频繁。
T型基本上与KC-135R相似，以前称为KC-135Q，用于为洛克希德的SR-71“黑鸟”侦察机进行空中加油。这需要携带特殊的JP-7燃料，与常规燃油分开存放的加油机的油箱中。此外，Q型还配备了增强的通讯功能，以使其与SR-71上的通信设备兼容。在“黑鸟”侦察机退役后，Q型被改为常规加油机，并在安装了新的通用电气F108发动机后，换用了KC-135T的名称。
KC-135R机群中的某些飞机已经获得了新航空电子设备的增强。特别是在支持任务有效性方面，增加了包括Link16战术军用数据链在内的改进，使它们能够获得近实时的战术态势图。
在本世纪初，有13架KC-135R，六架KC-135R MPRS和21架KC-135T装备了一种称为“滚装超视距（ROll-on BEyond-line-of-sight，ROBE）”的通信系统。ROBE是一种由诺斯罗普·格鲁曼（Northrop Grumman）开发的安装在货物托盘上的电子设备套件，可搭载在加油机和货机上，通过卫星自动中继视距内直联信号和通信来增强战场指挥与控制（Command and Control，C2）能力。之所以选择KC-135，是因为该飞机经常在战场附近飞行，因此，除了空中加油工作之外，它还是理想的执行传输中继的平台。
KC-10A“增程者”虽然服役比KC-135晚，但是退役会更早
冷战时期，两架波音公司的“同温层”飞机间的亲密接触，一架KC-135A加油机为一架B-52D轰炸机进行空中加油
KC-135尾部加油员的观察舱，KC-46用摄像头代替了有人观察舱，却导致很多问题至今没有解决。
KC-135R MPRS上使用的Mk32B软管加油吊舱剖面图
可以装在KC-135R货舱内的ROBE通信传输中继系统
用于测试的加油机
几十年来，C-135承担了一系列的测试和评估任务。如今，美国空军装备司令部（Air Force Material Command，AFMC）仍在使用剩余的两架专用测试飞机，尽管其中一架仅被用作地面训练用途。
“斑点鳟鱼（Speckled Trout）”项目是由柯蒂斯·E·李梅（Curtis E. LeMay）上将在1957年发起的。一开始，它将一架KC-135改装用于专门的要员运输职责。后来，这架飞机被分配用于评估商用的航空电子以及通信设备。系列号为63-7980的KC-135R是第四架也是最后一架“斑点鳟鱼”，后来被用作大型飞机红外对抗（Large Aircraft Infra-Red Counter-Measure，LAIRCM）系统的试验台。该系统现已被安装在C-130、C-17、C-5和KC-135等大型飞机上。“斑点鳟鱼”飞机通常使用无线电呼号“鳟鱼99”，是空军部长、参谋长和副参谋长们的主要交通座机。此外，“斑点鳟鱼”还配备了空中加油装置，这是近年来唯一进行这种配置的常规KC-135。
63-7980号KC-135R已经于2019年4月27日从驻加利福尼亚州爱德华兹空军基地的第412测试联队退役。现在，它在俄克拉荷马州的廷克空军基地（Tinker AFB），作为第76飞机维修大队进行战损维修培训的地面飞机。
目前，唯一幸存的测试飞机是序列号为61-0320的NKC-135R飞机。它自1998年以来一直在爱德华兹空军基地的第412测试联队服役。这架加油机参与支持许多重要的测试和评估计划，包括一些秘密项目，因此任务非常繁重。它经常在加利福尼亚州和内华达州的测试禁区内飞行，其机组人员都通过了严格的安全审查，以便能够支持一些“绝密项目”。实际上，这架飞机被经常发现在内华达试验和训练场（Nevada Test and Training Range，NTTR）执行飞行任务，为往返于太平洋测试靶场的测试“平台”提供服务。
除了在任务期间为其他测试平台进行常规加油外，该飞机还被用于进行新开发飞机的空中加油认证工作。它也被称为“造冰加油机”，因为它能够利用加油硬管，将水直接喷洒到以密集编队飞行的测试飞机机头上，用于评估在受控实验中检验后者的除冰能力。
第412测试联队的“斑点鳟鱼”KC-135飞机
作为“斑点鳟鱼”的KC-135的座舱内部
已经退役，曾经被用作“空中激光实验室”的NKC-135试验机
特种作战加油
很少公开的加油机任务是对特种作战的支援。尽管，大多数KC-135加油机执行的都是为各种常规作战飞机进行空中加油的任务，但由少数“同温层加油机”在获得专门的改装后，被用于执行“特种作战空中加油（Speicial Operation Air Refueling，SOAR）”任务。绝大多数SOAR任务仍然处于保密阶段，但是有一些细节已经被外人所知。该任务是由位于堪萨斯州麦康奈尔空军基地（McConnell AFB）第22空中加油联队（Air Refueling Wing，ARW）的两个中队执行的，分配给SOAR任务的飞机为八架KC-135R，一架KC-135R MRPS，八架KC-135R ARR和五架KC-135T型加油机。
SOAR任务通常在低空、夜间和无线电静默状态下执行。受油机主要是空军特种作战司令部（Air Force Special Operation Command，AFSOC）的MC-130，虽然在必要时还可以为其他型号的飞机加油，包括在作战区域附近的战斗机。执行SOAR任务的KC-135机组人员需要佩戴夜视镜。另外，为了帮助进行总体任务计划管理，机组乘员中通常还会增加一名领航员。
执行特种作战支持的KC-135加油机为空军特种作战司令部的MC-130进行加油
用于特种作战的KC-135飞机驾驶舱
为未来做准备
由于KC-135机队在美国空军作战的最前沿持续发挥着重要作用，它正在接受至关重要的新技术新装备，亦不断提升其战斗力。一直在进行的Pacer CRAG项目不断地对飞机的驾驶舱机型改进。版本Block 40对419架C-135系列飞机的通信、导航、监视以及空中交通管理系统进行了现代化改造。罗克韦尔·柯林斯（Rockwell Collins）公司发布的版本Block 45增加了新的自动驾驶仪、飞行控制器、雷达高度表和电子发动机仪表显示器。最终将对总共395架KC-135飞机进行改装，计划在2025年完成全部工作。
Block 45版本在“工程和制造开发（Engineering, Manufacturing and Development，EMD）”阶段对第22空中加油联队一架序列号为60-0343的KC-135T飞机和一架序列号为63-7987的KC-135R飞机进行升级，从而为其余飞机的修改建立了生产基线。目前该系统已经被批准用于实战，并能在日常的仓库维护（Programmed Depot Maintenance，PDM）工作中为飞机安装该系统。
像KC-135这样高价值但又易受伤害的平台，尤其是在作战区域内或敌对地区附近作战时，需要一定程度的自我保护。KC-135是LAIRCM吊舱的主要使用平台之一。位于密西根州塞尔弗里奇空中国民警卫队基地（Selfridge ANGB）的空中国民警卫队第171空中加油中队负责评估这一被成为“守卫者（Guardian）”的系统。该系统旨在自动检测来袭的红外制导便携式地对空导弹，并用激光对它们进行干扰。2013年3月，在两架序列号分别为58-0049和60-0365的飞机后机身下方两侧分别安装了一个“守卫者”吊舱后，密歇根州空中国民警卫队俄克拉荷马城空中后勤中心和诺斯罗普·格鲁曼公司一起完成了地面测试。之后不久，这两架飞机在爱德华兹空军基地（Edwards AFB）进行了飞行测试，并于2013年夏季完成测试工作。在对结果进行了相当认真的总结后，得出结论是需要对剩余的KC-135机队进行该改进，但并不紧急。最终，该改装工作从2019年开始。“守卫者”并非是一个永久升级，它只会在当任务需要时被临时安装在在敌对地区执行战斗任务的飞机上。为了增强LAIRCM，美国空军计划在驾驶舱中增加实时威胁态势感知功能。
经过Pacer CRAG项目升级后的KC-135R座舱，还是一大把的模拟仪表
安装了LAIRCM的KC-135R加油机
六架KC-135R“象群散步”，“同温层加油机”将继续作为美国空军空中加油部队的主干持续很长时间
为未来做准备还意味着将空勤人员保持在其能力的巅峰状态。不仅仅只有战斗机飞行员看重高级训练的质量，位于华盛顿州费尔柴尔德空军基地的第509武器中队是内华达州内利斯空军基地空军武器学校的分部。每年有两个班在此接受研究生水平的讲师课程，这些课程为那些需要为空勤人员部署做好准备的一线部队培养合格的军官。他们知道如何让KC-135在最复杂的任务中能够完美发挥其作用的全部战术和操作流程的每一个细节。
在正面临着飞行员短缺的美国空军而言，保持专业知识对一个很容易进入商业航空公司飞行员社区至关重要。因此，在“总体部队整合（Total Force Initiative，TFI）”计划下，美军将现役部队与空中国民警卫队和空军预备役司令部（Air Force Reserve Command，AFRC）的人员和经验相结合，以为世界上最大的加油机部队提供最佳知识和技能。
美国战略司令部最近进行的“全球迅雷2019（Global Thunder 2019）”演习表明尽管飞机现在已经很老了，KC-135仍然是现代化作战的关键。在它的替代者KC-46A加油机还没有准备好之前，KC-135的退休日期似乎遥遥无期。
按照美国空军现在的计划，服役最长的KC-135R加油机有可能要达到百岁高龄