为了符合 R-40B 的要求，波音将 Model341 修改为 Model345。Model345 的乘员舱全部增压，使用赖特 R-3350 发动机取代 Model341 的 R-2800，十二人制机组，前三点起落架，都为双轮，主起落架收入发动机舱而不是以前设计中的收入机翼内。装备 4 座可收放的炮塔作为自卫武器，每座炮塔有两挺 12.7 毫米机枪，尾炮塔除了两挺 12.7 毫米机枪外还装备一门 20 毫米机炮。自卫炮塔采用斯佩里（Sperry）公司的动力旋转炮塔，由炮手通过周视镜瞄准，遥控操作。Model345 装载 907 千克炸弹，以 466 公里/小时的经济巡航速度飞行时，航程 8,580 公里，最大载弹量 7,300 千克，在 7,620 米高度时最大时速预计 615 公里，重 44,316 千克。
1940 年 5 月 11 日，波音将 Model345 方案正式提交给陆军。陆军对此十分感兴趣，6 月 17 日给与波音一笔拨款进行附加的风洞测试，并于 6 月 27 日又追加一笔拨款。
B-29 外形的演进
1940 年 6 月 27 日，陆军与四家飞机制造商签订“超级轰炸机”预研合同，并按优先顺序赋予波音 XB-29 的型号，洛克希德的方案是 XB-30，道格拉斯 XB-31，康绍里德 XB-32。 在看到处于明显的竞争劣势后，洛克希德和道格拉斯公司在细节设计没有完成之前就退出了。1940 年 8 月 24 日，陆军订购了两架 XB-29 原型机和一架静态测试机，作为 XB-29 的失败保险，9 月 6 日又向康绍里德订购了两架 XB-32 原型机。
洛克希德公司提出的 XB-30 方案，类似该公司的“星座”民航机
道格拉斯 XB-31 模型
康绍里德公司的 XB-32 统治者轰炸机，基本上是 B-24 的放大型
11 月下旬检视过全尺寸模型后，陆军对波音的方案更有信心，并于 12 月 14 日增购了第三架原型机以加快研制进度。
1941 年 5 月波音开始建造第二架全尺寸模型。由于日益增长的战争威胁，陆军航空队在 1941 年 4 月进行了扩编，并改称陆军航空军（US ARMY AIR FORCE）。B-29 计划更加紧急，在 XB-29 原型机还未完工的情况下，航空军又订购了 14 架 YB-29 服役测试机。1941 年 5 月 17 日，陆军决定在政府租给波音的堪萨斯州威奇塔（Wichita）工厂生产首批 250 架 B-29，金额高达 30 亿美元（当年货币价值）。1941 年 12 月珍珠港事件爆发，美国卷入战争，1942 年 2 月 B-29 的定购数量增加到 500 架，3 月份又增加到 1,000 架。为了提高产量，陆军又指定另外三家飞机制造商按许可证生产 B-29，分别是贝尔在佐治亚州玛利埃塔市（Marietta）的新建工厂；北美飞机公司位于密苏里州堪萨斯市的新建工厂；通用汽车费希尔兄弟（Fisher body）分部在俄亥俄州克里夫兰市的新建工厂。但直到此时 B-29 原型机还没有开始试飞，投产的决定显得十分冒险，在航空史上也十分罕见。在生产线建立之前，被指定的 3 家非波音工厂只能先生产 B-26 掠夺者轰炸机过渡。
在量产开始之前，B-29 工厂又进行了调整。考虑到北美的堪萨斯工厂专注于生产 B-25 米切尔轰炸机，所以其 B-29 的生产任务移交给波音在华盛顿的兰顿市（Renton）工厂。兰顿工厂原来准备为海军生产波音 PBB-1 海上巡逻兵（Sea Ranger）双发水上巡逻轰炸机，为此航空军说服海军取消 PBB-1 项目，让兰顿工厂转产 B-29。作为补偿海军将得到陆基的 B-25 和 B-24 轰炸机用以执行海上巡逻任务。
外形怪异的波音 XPBB-1 原型机
后又由于费希尔兄弟工厂专注于生产 P-75 护航战斗机，所以其 B-29 生产任务移交给格伦.L.马丁飞机公司，在其设在内布拉斯加州奥马哈市的一个新建国有工厂内生产。
除了威奇塔、玛利埃塔、兰顿和奥马哈四个主要的 B-29 总装厂外，为 B-29 生产机身组件和部件总成的子承包商遍及美国，其中克莱斯勒、哈得逊、固特异、布里格斯（Briggs）、墨里、塞斯纳公司被选择为生产 B-29 的主要机身构件。
B-29 设计中的碰到的主要问题之一是如何设计完美的机翼。现有的翼型设计都不适合这个史无前例的怪物，能在规定尺寸内产生足够升力的翼型，不是巡航阻力太大就是失速特性太差；巡航阻力和失速特性都能满足要求的翼型在起飞时却无法产生足够的升力，一旦采用，世界上将没有一处机场可以满足它超常的起飞滑跑距离。于是波音推翻现有方案，为 B-29 设计了波音 117 型机翼，全长 43.15 米，翼面积 161.25 平方米。为了解决起降升力问题，117 型机翼后缘设置了一组富勒襟翼，当襟翼全部展开时，全部翼面积可增大 20%，有着很好的低速操控性，襟翼收起后，机翼阻力很低，可以达到较高的巡航速度。随后波音将四分之一尺寸的 B-29 机翼安装在一架仙童（Fairchild）PT-19 教练机（序列号 41-20531）上进行试飞，结果令人满意。
波音将四分之一尺寸的 B-29 机翼安装在一架仙童（Fairchild）PT-19 教练机（序列号 41-20531）上进行试飞
波音还修改了 Model345 的设计，将机翼内侧发动机舱后段延长伸出机翼后缘，增加了襟翼效率。波音 117 型机翼的两个翼梁是用整块铝冷挤压成型，成为是当时世界最大和最重的整体翼梁，在进行结构破坏测试时，压力增加到 136 吨时机翼才断裂。
另外对 Model345 的气动改进就是将前机身从 28.35 米延长到 29.9 米，并将机头外形改为球形，垂尾根部向前延伸以增进安定性。
由于 B-29 的作战飞行高度通常接近万米，外界气温为零下 50 度，再加上全增压乘员舱设计，无法使用人操炮塔，所以采用了遥控炮塔系统。原型机机身上一共安装了 5 个炮塔，机身背部前后各一个，腹部前后各一个，最后一个是尾炮塔，每个炮塔装备 12.7 毫米机枪两挺，尾炮塔再增加一门20毫米炮。有四家公司竞争遥控炮塔系统的合同，包括本迪克斯（Bendix）、通用电气、斯佩里（Sperry）和威斯汀豪斯公司。由于斯佩里为 B-17 和 B-24 设计的人操可升降球形炮塔已在实战中使用过，所以赢得了合同。