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Die Entwicklung des Prototyps Boeing Modell 299 erfolgte aufgrund einer Ausschreibung für ein landgestütztes Bombenflugzeug für Langstreckeneinsätze über das Meer. Der Prototyp Nr. X 13372 flog am 28. Juli 1935 zum ersten Mal. Durch einen Pilotenfehler ging die Maschine bei einem Absturz verloren. Nach Anpassungen an die Bedürfnisse der US-Militärs – modifizierter Rumpfnase, größeres Seitenleitwerk, verbesserter Innenausrüstung – startete der neue Prototyp Y1B-17 im Januar 1937 zum Erstflug. Schließlich wurde die erste Serienmaschine B-17B am 20. Oktober 1939 an das United States Army Air Corps ausgeliefert. Als Antrieb dienten vier Wright R-1820-51-Sternmotoren mit je 1.000 PS. Es folgten 38 weitere Maschinen.
Am 21. Juli 1940 fand der Erstflug der B-17C statt, die neben verstärkter Abwehrbewaffnung eine Panzerung und selbstdichtende Tanks erhielt. Zudem wurde durch den Einbau von Cyclone-Motoren die Motorleistung auf je 1.200 PS erhöht. 20 dieser Maschinen gingen als Fortress Mk I an die RAF.
Weitere 42 wurden von der USAF bestellt und später als B-17D umgebaut.
Mit der B-17E kamen 1941 die Waffenstände hinter dem Cockpit und unter dem Rumpf sowie der Heckstand dazu, das Kaliber der MGs betrug jetzt einheitlich .50 Browning (.50 BMG); sie erhielten das größere und weiter nach vorn gezogene Leitwerk, das später zum charakteristischen Merkmal der B-17 wurde. Die Reichweite der B-17E betrug ohne Bomben 5.300 km; die Bombenlast betrug – im Vergleich zu späteren Versionen – relativ geringe 2.000 kg. 512 B-17E und 45 Fortress II wurden an die 8. US-Luftflotte bzw. an die RAF geliefert.
Ein Jahr später folgte die B-17F mit einer neuen Bugkanzel aus Plexiglas und einer Reichweite von 7.110 km (ohne Bomben). Diese Maschine, von der 3.405 Exemplare – darunter 61 Fortress II für die RAF – gebaut wurden, konnte schon 4.700 kg Bomben mitführen. 61 Flugzeuge wurden zu Fotoaufklärern F-9 umgebaut.
Am 21. Mai 1943 war der Erstflug der letzten Serienversion – der B-17G. Sie hatte unter dem Bug einen zusätzlichen Geschützturm mit einem Zwillings-MG sowie gegeneinander versetzte Geschützfenster in Bugraum und Rumpf, um gegenseitige Behinderungen der MG-Schützen zu vermeiden. Das Modell wurde bis Mitte 1945 insgesamt 8.680-mal gebaut. 85 Flugzeuge gingen an die RAF, 10 weitere wurden zu F-9C-Fotoaufklärern umgebaut, 40 Flugzeuge wurden als PB-1G bzw. PB-1W, letztere mit Radarwanne, zur U-Bootabwehr an die US-Navy geliefert, 130 weitere als B-17H-Seenotrettungsflugzeuge mit unter dem Rumpf angebrachtem Rettungsboot. Viele B-17 der Bauserie F wurden zur G-Version umgebaut und aufgerüstet.
Insgesamt sind 12.731 B-17-Maschinen von Boeing und den Lizenznehmern Douglas und Lockheed produziert worden – zu Spitzenzeiten waren es 16 Maschinen täglich.