B-52G 保留了 B-52F 的 J57-P-43W 引擎，但通过在前机身内增加一个 1,200 加仑的水箱提高了引擎喷水系统的持续时间。减重是 B-52G 设计的核心，设计人员为此取消了副翼，这样滚转控制就完全要依靠扰流板。副作用是由于没有副翼，再加上方向舵更短了，增大了飞机发生荷兰滚的趋势。这是大翼展飞机的通病，偏航阻尼装置无法完全克服。取消副翼还改变了侧向运动频率特性，扰流板开始升起时，经常会引发轻微冲击，还会导致机鼻轻微俯仰。这在空中加油时会带来麻烦，因为此时正需要调整副翼保持平稳，缺少副翼结果使飞行员疲于纠正。为了调整配重防止机翼颤振，早期型号上常见的 3,000 加仑可抛弃式副油箱换成了更小的 700 加仑固定式副油箱。
B-52G 的 J57-P-43W 引擎
B-52F 对引气系统的放弃允许波音进一步重新布置油箱，采用结构油箱同时也是减重的一项措施，还提高了载油量。每侧机翼内设有三个油箱，从而取代了之前型号上的燃料囊。这种结构需要加工大块机翼蒙皮，使之成为结构的一部分，最大限度地防止燃料渗漏和结构疲劳的可能性。B-52G 内部载油量为 17,6507 升（46,575 加仑），加上两个副油箱各 2,650 升（700 加仑），总共能够携带多达 181,808 升（47,975 加仑）的燃料。相比之下，B-52F 只能携带 41,553 加仑，从而大幅拓展了航程。尽管采取了减重措施，由于增加了载油量，B-52G 的全重还是达到了 488,000 磅。
B-52G 重新布置了机组位置，引入了“战位”（battle-station）概念，负责防御和进攻任务的乘员被分组安置。炮手移到了前机身内，和电子战军官并排面向后方，紧急时向上弹射。他们构成防御任务小组，投弹手和雷达领航员则构成进攻任务小组。机组位置变更后，能够消除炮手独自位于机尾炮塔内所产生的寂寞感，提高了机组整体的工作效率。炮手前移后拥有自己的弹射座椅，一改之前型号复杂的逃生程序，人身安全有了更好保证。不过投弹手和雷达领航员依旧要冒巨大的风险，在低空按动向下弹射的座椅简直是自杀。炮手前移后伞舱从下方移到上方，同时改善了尾炮携弹量。尾部安装了一部新的阿沃科-克劳斯利（Avco-Crosley）ASG-15 火控系统。和早期火控系统相同，ASG-15 也拥有独立的搜索/跟踪雷达碟形天线，但增加了一台电视摄像机，尽管它后来被 ALQ-117 对抗设备所替代。炮手既可使用 ASG-15，也可通过远程控制系统，或者闭路电视来遥控尾炮，代价是丧失了专人监视后半球威胁的良好视野。
B-52G 乘员布置，与早期型号相比，尾炮手移到前机身，B-52H 型由于没有了尾炮，所以去掉了尾炮手
B-52G 保留了 B-52F 上的 ASQ-38 轰炸导航系统，不过增大了机鼻雷达罩。并采用了一体化结构，能够方便地向上翻起。B-52G 着重改善了机组舒适性，重新设计后的座椅减轻了 20 小时长时间任务的疲劳度，同时改善了饱受诟病的座舱温度。垂尾则被截短了 2.44 米（8 英尺），短垂尾于是成了区别于早期型的识别标志。短垂尾曾经在 B-52A 52-0001 号机上进行过试验，一些资料称该机被编号为 XB-52G，尽管它还远不是 B-52G 的原型机。
B-52G 机鼻雷达罩，并将原先上下两片雷达罩整合为一片式
B-52G（Model 464-253）是“同温层堡垒”系列中生产数量最多的型号，总共有三份独立采购合同。1958 年 5 月 15 日签署的两份合同分别订购了 53 架和 101 架，1959 年 4 月 28 日又追加了 39 架，总共 193 架。B-52G 是第一种完全由维切塔总装的 B-52，但前机身仍是在西雅图制造的。1958 年 8 月 31 日，B-52G 进行了首飞。次年 2 月 13 日，B-52G 进入驻加州特拉维斯空军基地（Travis AFB）的第 5 轰炸机联队服役，正好比 SAC 的最后一架 B-36 退役晚一天，至此，SAC 完成了轰炸机全面喷气化。5 月，第 42 联队也开始接收 B-52G。6 月底，SAC 共得到了 41 架 B-52G。1961 年 2 月接收最后两架 B-52G 后，该型号随即停产。
首架 B-52G 57-6468 低调的出场仪式
首架 B-52G 57-6468 在一架 F-86 的伴飞下进行试飞
B-52G 一开始显得默默无闻，直到发生了一连串惊骇人听闻的天大事故后，才在传媒的报道下广为人知。第一起发生在 1966 年 1 月 17 日，一架 B-52G 和一架 KC-135 在加油过程中相撞，双双坠毁在西班牙帕洛玛（Palomares）附近。1,400 吨土壤和植被被放射性物质轻微污染，被运往美国进行处理。一枚丢失的核弹最终被美国潜艇在离大陆架 5 英里处约 2,500 英尺深的海底找到，4 月 7 日被打捞出水。1968 年 1 月 22 日，一架 B-52G 携带 4 枚核弹在海上发生故障，试图紧急迫降在最近的格陵兰极北航空站（Thule Air Base）未果，最终坠毁在封冻的北极星湾（North Star Bay），飞机随后沉入冰下。为尽可能清除放射性物质，进行了大规模的洗消作业，直到 9 月 13 日才全部完成。也许是为了达到某种艺术渲染效果，这两起事故在一些军事文学作品中经常被有意无意地相互混淆、串联、嫁接。
帕洛玛坠机现场 一枚降落到地面的 B28RI 氢弹
在帕洛玛事故中，深潜机器人“阿尔文”号打捞出的 B28RI 氢弹，多么疯狂的年代啊
格陵兰极北航空站
对参加北极星湾救援工作的人员进行辐射检查
B-52G 从 1980 年末开始退役。1989 年 7 月，驻马瑟的第 320 轰炸机联队成为第一个退出现役的 B-52G 单位，但该年只封存了 5 架。驻关岛安德森空军基地的第 43 战略联队于 1990 年 6 月解散。海湾战争没有影响到 B-52G 的退役工作。1991 年 10 月，为节约成本在机组成员中去掉了炮手。剩余的飞机在 1992-93 年间陆续停飞。1991 年底，B-52G 的装备数量降低到 90 架。1993 年末，只有 24 架 B-52G 还在飞行。次年春，最后一架 B-52G 退役封存。其中一些成为全美各地博物馆的藏品。