B-52 B.U.F.F.Dark Knight
B-52F（Model 464-260）装备了更强劲的 J57-P-43W、-43WA 或-43WB 涡喷引擎，单台净推力 49.8 千牛（5,080 千克/11,200 磅），喷水加力推力 61.2 千牛（6,235 千克/13,750 磅）。机翼结构进行了细微改动，安装了两个附加水箱，这样每个引擎吊舱就都能拥有独立的水箱。
正在着陆中的 B-52F
B-52F 仅有一个明显的外部特征，即加装了一组“硬驱动”（hard-drive）交流发电机。这些单元安装在每个引擎吊舱左侧的整流罩内，由左侧发动机直接驱动。它们取代了早期 B-52 机身内故障频仍的空气驱动涡轮和交流发电机。每个进气道的左唇口下都埋有小型全压接受管，其中两个进气口用于滑油冷却，另一个专门用于冷却 40 千瓦发电机。空气驱动涡轮曾出现断裂，尽管发动机短舱离机身距离不近，炙热碎片还是飞入机身燃料舱，导致灾难性的火灾。
B-52F 发动机吊舱外观的改变
1956 年 7 月 2 日，空军向西雅图订购了 44 架 B-52F（以及少量 B-52E），同日的另一份合同则向维切塔订购了 44 架 B-52E 和 45 架 B-52F。西雅图制造的 B-52F 于 1958 年 5 月 6 日进行了首飞，比维切塔早 8 天。这是西雅图制造的最后一个 B-52 型号。1957 年末国防部施加的财政约束限制了波音的加班量，导致 B-52F 的交付工作比日程滞后了几个月。因而，B-52F 迟到 1958 年 6 月才开始进入 SAC，第 93 轰炸机联队成为首个用户。全部 89 架 B-52F 于 1958 年 6 月到 1959 年 2 月交付 USAF。
B-52F 是第一种进入越南战场的 BUFF 型号。1965 年 6 月执行第一次任务
第一批 B-52F（还有之前的所有型号）都存在燃油渗漏问题，这也是当时美国许多军用飞机的通病。问题出在“玛曼夹具”（Marman clamps），它是一种油箱间燃料管的弹性连接件。它的断裂导致燃料溢出，在几次事故中甚至引发火灾。1957 年 9 月推出的“蓝带”（Blue Band）计划为全部 B-52 安装了新型的 CF-14 夹具。不过这并不很有效，没多久自己也出现了问题。铝制夹具很快就出现了了强腐蚀迹象（由金属超应力引起），在短短 100 天后就有可能失效。“硬壳”（Hard Shell）计划随即应运而生，用波音研发的 CF-17 不锈钢带夹具替代了铝制夹具。“硬壳”项目于 1958 年 1 月完成，但由于插销不完善 CF-17 经常断裂，还是无法取得完全成功。不仅是空军，改进后的 CF-17A 夹具连波音自己都不信任。1958 年中期展开了“方便夹”（Quickclip）计划，在夹具外侧加装了安全带。1958 年秋，新一批 B-52F 进入序列，它们也安装有“方便夹”安全带。
1965 年 7 月 7 日，28 架 B-52F 从关岛安德森机场起飞轰炸距西贡 30 英里的一个越共基地
燃料系统结冰也是长期困扰 B-52 的难题，当时的其他喷气式飞机也有相同问题。1958 年的一起事故是该问题达到顶峰。在之前许多坠机事故中，燃料系统结冰已被认定为一个可能的肇事原因，但冰层在大火中溶化，没有留下确凿的证据。这回，空军确信结冰堵塞了燃料泵和过滤装置，造成引擎着火并失去动力。为亡羊补牢，B-52 立即安装了对结冰不甚敏感的相应设备。另外，空军开始推广干燥燃料的措施，新的油压输送阀也已进入研发。1958 年 B-52 的事故还加速了对于能够防止燃料系统结冰的添加剂的研究。空军、波音和燃料供应商共同参与了研究计划，但进展缓慢，唯一有意义的解决方案是尽快为每架 B-52 都加装燃料加热装置。尽管在热冲击和振动测试中遇到困难，改装工作还是按预定计划在 1959 年末执行。不料，一波未平一波又起。燃料添加剂项目被意外中止，因为它有可能损坏燃料囊内胆，幸好该问题被及时解决。1962 年 10 月，燃料添加剂终于开发成功，使 SAC 得以在后续型号上抛弃燃料加温装置。
空军于 1967 年退役了一批达到寿限的 B-52F，正式退役过程要到 1971 年才正式展开。1973 年中期，空军名义上还拥有 62 架 B-52F，其中 36 架实际已处于不活动状态，剩余的则用于训练。
B-52 B.U.F.F.Dark Knight
B-52G
B-52G 的设计始于 1956 年 6 月，而最初设想可以被追溯到 1955 年 1 月，当时康维尔 B-58“盗贼”似乎要陷入困境。空军在高成本、高风险的 B-58 项目上的优柔寡断，导致 SAC 在未来 10 年里缺乏新型轰炸机来替代或补充 B-52 机群，“轰炸机差距”很可能将再次出现。发展 B-52G 初衷是为了提供一种保险措施，防止战略轰炸机部队可能出现的技术退化。按照 1955 年 5 月确定的方案，B-52G 将采用重新设计的机翼。
B-52G 57-6473，注意重新设计的矮垂尾
曾经推动 B-52 的李梅将军一开始却对 B-52G 并不热心。尽管后来对“超级 B-52”发生兴趣，李梅将军依旧强调，如果对 B-52 进行“真正有意义的改进”，那么 B-52 生产进度不可避免地要放慢下来。B-52G 的研发工作本该更早启动，但波音完成必要研究的 120 万美元关键资金被拖欠，空军参谋部对 B-52B 恋恋不舍也是导致任务延误的重要原因。这与 B-52 研发初期，波音的高效率形成了鲜明对比。又是可恶的官僚主义和政治介入！
B-52G 尾部的改进，甚至取消了尾部机枪手舱位
改进方案确定后整个项目变得势如破竹。7 月份，空军参谋部为该计划拨款 880 万美元，专门支持工程学方面的改进。同月，波音在进行了一次初期工程发展检查，目的是确定乘员区新布局。空军没有发现波音的安排有什么特别的缺点，但还是指出仍有大量问题没能解决。8 月 15 日，承包商递交了一份内容广泛的改进计划概要。8 月 29 日，空军参谋部认可了修订后的计划，但还要对 B-58 加以考察，看来对后者的特殊能力还是报以期待。这一表态背后隐约闪现的是财政问题。