1988 年 4 月，C-17 的估计重量较设计目标重量增加了 8.2%，因此无法满足合约中的一项性能需求：由于重量增加，C-17 的航程由合约中规定的 9,098 公里，降低到小于 8,700 公里。不过仍然满足合约中，载运 75.7 吨的情况下，以 833 公里的巡航速度，不需空中加油直飞 4,443 公里航程的规定。
1988 年 8 月，五角大厦奋力抵挡国会及部内反对 C-17 的批评声浪，拒绝终止此型飞机的采购计划，有效地挡回了想终结 C-17 的念头。国防部仍然维持原来 210 架的预定采购数量，生产尖峰定在 1993 年，当年需生产 29 架，而 C-17 的初级战备能力（Initial Operational Capability）建立日期，也就是第一个飞行中队 12 架飞机正式可执行任务的日期，也由 1992 年 4 月延后至 1992 年 9 月，又延至 1993 年 5 月，最后则是延到 1995 年 1 月。
几经波折 C-17 原型机（编号 T-1，87-0025）终于在 1991 年 9 月 15 日首飞。第一架生产型飞机也于 1992 年 5 月 18 日上天。随着试飞结束，转入批生产，麦道公司计划每年至少生产 12 架 C-17。1993 年 2 月 5 日，美国中军宣布给 C-17 冠以“环球霸王 III”的名字，这是因为在 40 年代未，道格拉斯公司生产了 C-74（环球霸王 I）与 C-124（环球霸王 II）。美国空运司令部前司令汉斯福特·约翰逊将军在国会军事委员会上说，如果 1991 年海湾战争时空军已装备了 C-17 的话，则可以提高 20％～35％ 的运送装备与士兵到战场的速度。由此可见，虽然前苏联已经解体，克林顿又锐意削减军费，C-17 计划仍旧得以保存是有其理由的。
首架 C-17，在完成了试飞之后，也进入部队服役
进行空中加油测试的原型机
起飞中的原型机，还未涂装
1990 年由于冷战已结束，加上美国政府对解决财政赤字一筹莫展，美军开始了削减计划。国防部在当年 4 月宣布将 C-17 的预定采购数量，由 210 架锐减到 120 架，很讽刺的是，这项决定宣布后几个礼拜，就发生了有史以来规模最大的沙漠盾牌（Desert Shield）运输任务，迫切需要战略运输的能量。1999 年科索沃（Kosovo）战争后，鉴于美军的空运能量确有不足，国防部在检讨报告里建议国会能批准增加采购 60 架，使机队总数达到 180 架。
1991 年 8 月，美国空军第一个 C-17 运输机中队，位于南加州查尔斯顿（Charleston）空军基地的第 437 联队第 17 运输中队的飞行员开始接受 C-17 模拟机的飞行训练。1992 年初，第 17 中队开始逐渐停止了 C-141 的飞行任务。1993 年 5 月，第 17 中队接收第一架 C-17，为了练习以前 C-141 从没飞过的急速降落，查尔斯顿空军基地特别增建了一条宽 27.4 米、长 1,067 米、未铺柏油的跑道。C-17 的飞行性能让飞行员们印象深刻：“上天空后，飞机的表现无懈可击”。
C-17 采用大型运输机常规布局。机翼为悬臂式上单翼，前缘后掠角 25°，NASA 翼梢小翼高 2.90 米。悬臂式 T 形尾翼。垂直安定面与机身连接处向前伸有小背鳍，嵌入式方向舵分为上、下两段，升降舵分为两段。垂直尾翼有个特殊的设计，内部有一隧道式的空间，可让一位维修人员攀爬通过，以进行上方水平尾翼的维修。液压可收放前三点式起落架，可靠重力应急自由放下。前起落架为双轮，主起落架为 6 轮。前起落架向前收入机身，主起落架旋转 90° 向里收入机身两侧整流罩内。可在铺设与未铺设的跑道上使用。起落架装有碳刹车装置。机身长 53 米，机高 16.8 米，翼展 503 米，外形尺寸与 C-141 相当。最大起飞重量 263 吨。
C-17 刚一出现就凭借先进性能，创造了许多世界航空记录。C-17 运输机曾在 1993～1994 年在货运类别中 22 次创造了爬高和速度记录。2001 年底，C-17 在美国爱德华兹空军基地创造了 13 项航空新记录。最近创造的记录是：·装载 1000～40,000 千克有效载荷达到最大高度；无有效载荷达到最大高度；·装载最大有效载荷飞到 2,000 米；无有效载荷、稳定持久平飞达到最大高度。
为了使 C-17 研制计划减少技术风险，麦道公司最大限度地利用经过论证或已经掌握的先进技术。如 C-17 沿用了 DC-10 飞机采用的先进复合材料结构和翼梢小翼技术；发动机是波音 757 飞机上用的 PW2040 的发展型；采用了 MD-11、F-18 和波音 757/767 飞机上使用的先进座舱；特别是在 YC-15 飞机上验证过的吹气襟翼技术、超临界翼型、反推力装置和平视显示仪等。但在整合这些先进技术的过程中，麦道也遇到了不小的困难。
C-17 安装四具普惠（Pratt & Whitney）的 PW2040 涡轮风扇（turbofan）发动机，美军编号 F117-PW-100。此型发动机的前身是 PW2037，由普惠公司于 1979 年 12 月开始研发，推力为 17,418 千克，1983 年 12 月通过联邦航空管理局（FAA）的认证，1984 年 12 月开始装于波音 757 上使用。1988 年普惠公司完成推力提升，将推力增加到 18,915 千克，并赋予新的型号 PW2040。1988 年 12 月获得军方认证安装在 C-17 上，当时此型发动机已累积了数百万飞行小时的使用经验，可靠且耐用。
发动机以悬吊式挂架（cantilevered pylon）挂于机翼的前下方，每具挂架由数件铸铝螺桩（stub）结构与机翼相搭接，使外挂载和机翼间有连续的负载路径（load path）。由于挂架和发动机很靠近，在强度及温度的考虑下，主要使用材料是钛合金。C-17 发动机具有反向推力装置（thrust reverser），发动机罩的外型为滑套后缩（slides backward）双罩式，二罩间有一开口，当启动反向推力时，发动机排气经由此开口被导向前上方 45° 度，因此不会吹起地面的砂石与尘土。另外在发动机运转 时，不会影响卸货或是一些地面工作。反向推力装置也让 C-17 具备一项新的地面操作功能，可以在 27.4 米宽的跑道上进行 180 度的回转，也能在 2.25g 的情况下，于倾斜度 2％ 的斜坡上后退。反向推力装置在飞机静止时也可以启动，不会有发动机过热的问题。