XB-29 机腹有前后两个炸弹舱，每个弹舱有独立的舱门。投弹时有一个定时器控制投放顺序，使炸弹在两个弹舱中交替释放以保持飞机重心。
XB-29 的发动机是全新设计的赖特 R-3350 双旋风十八缸气冷星型发动机，2,200 马力。为了增强高空性能，R-3350 配备有两个通用电气 B-11 涡轮增压器而不是通常发动机的一个，增压器由霍尼维尔公司（Honeywell）的电子系统自动调节。原型机安装直径 5.18 米的三叶螺旋桨，由减速比为 100:35 的减速机驱动。发动机舱在外形设计上尽力减少空气阻力，将滑油散热器和增压器中间冷却器直接直入发动机进气口下，减少迎风面积。 虽然庞大，XB-29 的结构却十分传统。除了控制翼面是织物蒙皮外使用全金属材料。每个起落架配备双轮，尾部有一个可伸缩的缓冲器，在飞机进行高姿态着陆和起飞保护尾部。
机组编制预计 10 到 14 名，一般为 12 名，包括正副驾驶、领航员、投弹手、机械师、无线电报员、雷达操作员和五个炮手。投弹手与投弹瞄准具和射击瞄准具一起被安置在机鼻最前方，正副驾驶并排坐投弹手后面，周围有防弹钢板和防弹玻璃的保护；机械师、无线电报员和领航员紧挨着驾驶舱后。后段的增压舱是四个炮手和雷达操作员的位置，都有装甲隔板保护；尾炮手坐在尾部单独的增压舱中，只有在非增压飞行时才能进出尾部小舱。
1942 年 9 月 8 日，XB-29 进行第一次发动机测试
1942 年 9 月 21 日，首架 XB-29（41-0002）终于在波音机场进行了首飞，由波音首席试飞员爱德蒙.T.“埃迪”艾伦驾驶。在这天之前，陆航已经订购了 1,664 架 B-29，波音公司压力巨大。XB-29 没有安装自卫武器，发动机是四具 R-3350-12，但是在一系列的试飞后发现 R-3350 发动机有过热问题，并且在过热时有起火的危险，发动机起火从此时起成为 B-29 的“顽疾”，如噩梦般伴随 B-29 经历整个二战。到十二月为止，艾伦已经完成了 23 次飞行，共计 27 小时，在此期间一共更换了十六个发动机，十九个排气系统，二十二个化油器，另外还发现调速器有问题。在 12 月 28 日的一次试飞中，一具 R-3350 发动机起火，迫使艾伦立即返场紧急降落。除了发动机问题外，XB-29 的气动性能和操纵品质还是优秀的，根据试飞结果，去掉了方向舵助力器，没有发现必要的空气动力学上的改进。首架 XB-29 作为测试机一直留在波音公司。
1942 年 12 月 30 日，第二架 XB-29（41-0003）也开始首飞，但是这次飞行又遇到了发动机起火事故，直到将更换了 XB-29 一号机上的发动机后才开始恢复飞行。1943 年 2 月 18 日第二次试飞，但是结果是悲剧性的，起飞 8 分钟之后发动机起火。当艾伦尝试在波音机场紧急降落时，大火烧穿了机翼主梁造成机翼弯曲变形，燃烧的 XB-29 撞向机场附近的弗赖伊（Frye）肉类包装厂，艾伦和全部机组以及地面的 20 名工人丧生。
1943 年 2 月 18 日，第 2 架 XB-29 开始了悲剧性的试飞
这次坠机震惊了美国上下，富兰克林.罗斯福总统本来就对 B-29 的一再延误感到不快，在他的时间表中，1943 底 B-29 就应部署在印度轰炸日本。国会介入，哈里.杜鲁门参议员领导的特别委员开始调查在 B-29 项目有无价格欺诈和其他违法行为。这次事件的处理雷声大雨点小，委员会的结论是发动机承包商赖特航空公司交付了低于标准的有缺陷的发动机，陆军航空军也承担了一部分责任，承认在研制过程中向了赖特公司施加了过大的压力以催促其尽快交货。
国会并没有干预波音的研制工作，在吸取了前两架原型机的经验教训后，第三架原型机（41-18335）在 1943 年 6 月飞上天空。这架飞机的发动机和其他方面经过广泛的修改，试飞很顺利，完成后被送往威奇塔工厂协助建立生产线。后又转交于陆航进行武器测试。最后这架飞机坠毁，但无法证明是设计或制造缺陷。
试飞中的第 3 架 XB-29 41-18335
Armstrong Part2
伯克之车轰炸长崎
在原型机陷入困境时，波音公司并没有闲着，威奇塔工厂开始生产 14 架服役测试机。首架 YB-29（41-36954）在 1943 年 4 月 15 日下线，1943 年 6 月 26 日在第三架 XB-29 首飞后也进行了成功的试飞。YB-29 的发动机是 4 具改进过的 R-3350-21，驱动三叶螺旋桨。
波音威奇塔工厂生产的首架 YB-29
1943 年 6 月 1 日，陆军航空军在 B-29 还没装备的情况下在佐治亚州玛丽埃塔市组建了第一支 B-29 作战部队——第 58 轰炸联队（超重型）。7 月之前，终于有 7 架 YB-29 交付新组建的 B-29 训练中队。
斯佩里有人操纵的球形炮塔已经装备于早期 B-17 飞行堡垒、B-24 解放者和 B-25 米切尔轰炸机上，但是在实战中表现欠佳，常常在野战机场被部队私自拆掉。在 XB-29 测试了斯佩里炮塔后，陆军撤销了斯佩里公司的合约而转向通用电气。通用电气的方案是采用不可收放的炮塔，炮手通过操作计算机化的瞄准具进行遥控射击。炮塔的位置和枪械配置与以前相同，尾部装备一门 20 毫米 M-2 机炮 B 型，带弹 100 发。除了尾炮塔是直瞄的外，所有炮塔都由炮手遥控射击。位于机鼻的投弹手兼任前炮手，后增压舱内安排有三个炮手，为了解决后增压舱炮手的视野问题，在后机身腰部两侧和顶部设置了三个气泡观察窗，每个炮手各司一方。由于气泡观察窗在飞行中需要承受很大的空气压力，在测试期间曾发生过爆裂的事故，后来在试飞中炮手必须系上安全绳避免坠落。
第一架 XB-29 安装的斯佩里炮塔
B-29 左舷的气泡观察窗
YB-29-BO S/N 41-36957，在机鼻两侧和机头安装了实验性的 Erco 球形炮塔，注意尾部的 20 毫米炮管以及伪装色
编队飞行的两架 YB-29，难得的彩色照片
每个炮手位置上都安装了反射式瞄准具，其中左右边炮手的瞄准具就安装在气泡观察窗内侧，中炮手的瞄准具通过转换安装在顶部观察窗下方，炮手需要坐上转椅来操纵。每个瞄准具都与中央火控系统相连，瞄准具的底座可以水平旋转，目镜可以作俯仰旋转，所有的姿态改变都转换成电信号，控制炮塔指向目标。使用时，炮手握住瞄准具两边的棘轮，使目镜对准目标，这时他会看在目镜中看到由一圈亮点组成的准星，这个准星是瞄准具内部白炽灯光源通过透镜反射形成的。通过旋转右侧棘轮，准星可以放大缩小，炮手调好准星大小，正好套住目标后就按下射击按钮，炮塔开始射击。瞄准具上有个设定敌机翼展的装置，炮手根据手册或目视估计敌机翼展并设定后，再通过调节准星光圈的大小，中央火控系统可以自动计算距离，并根据目标的速度、距离、夹角和自机的速度进行射击补偿。左侧棘轮上有一个张开 30 度的金属片，这是一个保险开关，必须被手握住时，瞄准具才能连入火控系统进行遥控射击。