1951年11月，第一架原型機（代號XB-52）出廠，它首先進行了一系列的地面測試和檢驗。然而測試時，該機的引氣系統管道在全壓測試中的爆裂嚴重損壞了機翼後緣，不得不回廠修理，結果XB-52在近一年的時間裡都沒法升空飛行。1952年10月2日，XB-52才終於完成了兩個多小時的首飛，試飛時安裝8臺YJ57-P-1渦輪噴氣發動機，總重176000千克，單臺推力38。7千牛（3950千克），原型機最大速度966公里/小時，有效載重約4500千克，航程11265公里。XB-52只生產了一架。

一架停泊在機場上的XB-52原型機，留意較為尖削的機頭，座艙採用的是縱列式佈局

YB-52是第二架原型機，佈局近似XB-52，不過機載裝置有所改變，只製造了一架，於1952年10月試飛，由於XB-52的試飛出現挫折，後出廠的YB-52比前者竟還要提前進行試飛。第二次試飛滯空2小時15分鐘，最後在附近的拉森空軍基地著陸（Larson AFB）。雖然仍存在一些不可忽視的故障，如起落架回收問題、液氧系統缺陷、發動機油閥洩漏等，但試飛員約翰斯頓還是對飛機讚譽有加，稱它“好得令人受不了”（a hell of a good airplane）。XB-52和YB-52計劃使用的對地攻擊武器是1枚核彈或總重4500千克的普通航空炸彈。按照美軍編號標準，X是試驗機的程式碼，而Y則是評估機的程式碼，但後續事實表明，這兩架編號不同的原型機結果都是執行著相同的驗證任務。

XB52使用縱列式座艙，圖中可見氣泡狀座艙蓋

和後來正式定型量產的B-52各型號不同的是，XB/YB-52的座艙並不是大型飛機常用的並列式佈局（即正副機師並排分坐駕駛室左右側，而後方則為飛行工程師或投彈操作員的座艙佈局），而是採用更接近戰鬥機座艙的縱列式佈局（前方為駕駛員，後方為投彈操作員或飛行工程師，佈局類似F14艦載機或F15-E雙座戰鬥轟炸機）。波音的飛機設計師原本期望透過這種設計減少機頭面積，降低飛行阻力，從而提高巡航速度和機動效能。不過，美國軍方對於這款設計卻不甚滿意。李梅將軍如此說道：“你們設計了一款好極的飛機，阿倫（即其時波音的執行長威廉·阿倫（William M。 Allen））。如果你能夠把座艙改回並列式的話，我就會買下幾架。”（You have a hell of an airplane， Allen。 As soon as you put a side-by-side cockpit on it， I‘ll buy some。）。

YB-52

在軍方的要求下，波音公司其後把座艙改為現今所見到的並列式，並將B-52投入量產。