所有堡垒 I 都装备驻扎在西莱茵汉姆（West Raynham）的第 90 中队。但是堡垒 I 在英国有一个不祥的开端，交付那天，首架堡垒 I 在西莱茵汉姆降落时冲出跑道，折断了起落架，这架飞机从此以后就再也没有飞起来，被遗弃在跑道边，成为其他飞机的“器官捐献者”。
1941 年 7 月 24 日，新闻界报道了B-17C抵达英国的情景
英国空军计划将堡垒 I 使用在对欧洲大陆目标进行的白天无护航轰炸中，期望堡垒 I 强大的防御武器能抵挡德国战斗机的攻击。1941 年 7 月 8 日，堡垒 I 从博布鲁克（Polebrook）起飞进行第一次出击，目标是威廉港（Wilhelmshaven）。这次行动共有三架堡垒 I 参与，但由于其中一架发生发动机故障，被迫转向次要目标。剩余的两架在 9,144 米高空对威廉港的海军兵营进行了轰炸，但是在如此高度，投下的炸弹没有击中任何目标。除此之外，炮手发现在近万米高空的零下气温中，机抢都被冻住无法射击，所幸的是没有遭遇敌机，所有飞机都安全返回基地。
7 月 24 日，堡垒 I 编队轰炸了布雷斯特港（Brest）的法国海军设施，依旧没有命中。编队中的轰炸机装备了斯佩里（Sperry）投弹瞄准具而不是精密的诺顿，所以以 9,144 米高度从目标上空通过时，炸弹完全错过了目标。德国战斗机拦截了轰炸机编队，将一架堡垒 I 打成重伤，在着陆时解体，其余飞机都安全着陆。
英国空军的堡垒 I 数量不断减少，第三架损失的堡垒 I 是在一起火灾中烧毁，接下来三架堡垒 I 在轰炸挪威奥斯陆（Oslo）时全部被德国战斗机击落。德国获得了其中较完整的一架，可能使德国人有机会第一次看到诺顿投弹瞄准具。第七架损失的堡垒 I 在一次高空试飞时坠毁。第八堡垒 I 是从云层中飞出之后就一头栽向地面，未能查出事故原因。
堡垒 I 后来进行了重新涂装，上表面深灰/绿色迷彩，下表面浅蓝色，同时纠正了序列号错误
到 1941 年 9 月，英国空军的堡垒 I 已经执行过 22 次轰炸任务，目标有不来梅（Bremen）、布雷斯特港、爱登（Emden——德国重要的海军基地）、基尔（Kiel）、奥斯陆、鹿特丹（Rotterdam）等。堡垒 I 共出动 39 架次，其中十八架次因为机械故障而放弃任务，两架次转向次要目标。共有八架堡垒 I 在战斗和事故中损失，经受了这些挫折后，英国空军决定放弃在欧洲大陆进行的白天轰炸任务。
随后，有 4 架堡垒 I 部署到中东支援北非作战一直到 1942 年 5 月，它们担负起对利比亚班加西（Benghazi）和托布鲁克（Tobruk）轴心国目标的夜间轰炸任务。1941 年 10 月，英国剩余的堡垒 I 也移交给皇家空军空军海防总队（RAF Coastal Command）执行海上巡逻任务，由第 206 和第 220 中队操作。1942 年 7 月一架堡垒 I 部署到印度战区，后被 USAAC 接管。堡垒I就这样结束了在英国空军的服役生涯。
实事求是地讲，堡垒 I 的初次作战是失败的，它们在飞行中频繁发生机械故障，高空飞行时机枪会被讨厌地冻住，完全不能指望来对付德国战斗机，除此之外，高空轰炸也不要期望能击中任何目标。英国空军根据使用堡垒I的经验，在行动中尽可能多地出动轰炸机并排列成紧密队形，以充分发挥自卫火力并互相支援，为此也加强了机组的训练。不管怎样，英国飞行员对这个大家伙还是有些好感的，称赞堡垒 I 易于驾驶，操纵灵活，投弹时相当稳定。
B-17D
1940 年 4 月 17 日 USAAC 又订购了更多的 42 架 B-17C，由于这批飞机与上一批次的 B-17C 相比进行了少许改进，所以 USAAC 在 1940 年 9 月 6 日将这批飞机的型号改为 B-17D。事实上，B-17D 和 B-17C 的公司型号相同，都是 Model299H，仅在一些细节上有区别，外观上，B-17D 的发动机舱上增加了一组鳃门以改善发动机冷却，腹背的防御武器增加到两挺机枪，内部采用修订过的电气系统，并增加了第十名机组乘员。
首架 B-17D 在 1941 年 2 月 3 日首飞。B-17D 在 1941 年 2 月到 4 月间交付给 USAAC，序列号从 40-4059 到 40-3100。派驻海外的单位优先获得了这些新装备，大多数 B-17D 都部署在夏威夷和菲律宾。先前的 B-17C 稍后都升级成 B-17D 标准并且型号也改为 B-17D。
1941 年夏部署在夏威夷的 B-17D，上表面橄榄绿，下表面浅灰，早期型 B-17 的小垂尾使飞机显得不匀称
从 1941 年 3 月开始，B-17 漆上橄榄绿和灰色的伪装色，到珍珠港事件爆发前，所有的 B-17C 和 D 型都披上了战时涂装。
珍珠港事件中的 B-17D
B-17D 性能规格表
发动机：4 具赖特 GR-1820-65（G-205A）“旋风”星型发动机，起飞功率 1,200 马力，高度 7,620 米时 1,000 马力。
性能：最大时速 512 公里（7,620 米）。实用升限 11,278 米。爬升至 3,048 米高度耗时 7 分 30 秒。最大航程 3,862 公里（载弹 1,814 千克）/5,471 公里（空载）。
重量：空重 14,045 千克，正常起飞重量 17,835 千克。
尺寸：翼展 31.63 米，全长 20.69 米，全高 4.57 米，翼面积 131.92 平方米。
军械：6 挺 12.7 毫米机枪，机背、机腹机枪支架各两挺，腰部两侧机枪支架各装一挺；一挺 7.62 毫米机枪，可安装于机身前部任一球形机枪座。内部弹舱最多可挂载 2,177 千克炸弹。
B-17E
B-17E 是飞行堡垒家族中第一个开始大量生产的型号。B-17E 是根据早期欧洲空战的经验教训进行改进的产物，从 B-17E 开始，飞行堡垒开始真正成长为令人生畏的轰炸机。