XP6M-1原定安装一台寇蒂斯-莱特的涡喷/冲压混合式喷气发动机，但是该发动机遭遇研发问题，所以换装4台艾利森J71-A-4涡喷发动机，单台最大加力推力5900千克。发动机成对安装在翼根上方的发动机短舱中。J71是J35轴流式涡喷发动机的发展型号，也被共和F-84“雷电喷气”采用。而J35原本是通用电气研制的TG-180，由艾利森公司按许可证生产。
艾利森J71-A-4涡喷发动机
“海上霸王”的机翼后掠40度，展弦比5.53，机翼相对厚从翼根的11%过渡到翼尖的8%。增升装置是机翼外段前缘的缝翼和机翼后缘的襟翼，机翼上表面的扰流板负责滚转控制。翼尖副油箱兼做机翼浮筒，机翼有很大下反角以确保浮筒能触及水面，浮筒上安装了辅助停靠飞机的设备。“海上霸王”具有增压座舱，4人制机组包括正副飞行员、导航员兼无线电操作员、飞行工程师，都配备有弹射座椅，尾部有两门遥控20毫米自卫机炮。“海上霸王”充分借鉴了马丁XB-51攻击轰炸机的设计，例如T尾和旋转弹舱，实际上马丁的早期水上轰炸机方案就是XB-51的水上型。在飞行中弹舱旋转朝下暴露出武器或侦察照相机，平时弹舱采用充气密封的方式来保持水密。“海上霸王”的自卫武器是安装在尾部的双20毫米机炮遥控炮塔以及火控雷达。
旋转弹舱是P6M设计的一大特色
1954年12月21日首架“海上霸王”原型机下线，1955年7月14日该机在马丁试飞员乔治·罗德尼的驾驶下首飞。试飞项目中只发现了一个严重问题：发动机开加力时喷气会灼烧后机身，所以需要限制加力次数。1955年11月海军公开的“海上霸王”，并邀请媒体见证了第二架XP6M-1的下线，该机增加了导航和轰炸设备。
1955年11月海军公开的“海上霸王”，并邀请媒体见证了第二架XP6M-1的下线
由于发动机靠机身太近，XP6M-1开加力时喷气会灼烧后机身
海军航空局局长詹姆斯·拉塞尔少将认为海军的P6M可能比陆基轰炸机更有效，“水上飞机可以‘隐藏’在世界各地的海湾和河流入海口，并接受特遣舰队的支援。”当然他没说当时的原子弹尺寸和重量还很大，一时还无法装进P6M的弹舱。
试飞中的XP6M-1，注意原型机发动机的尾喷口是交错的
试飞项目一直顺利持续到1955年12月7日，在此之前的两天格伦·L·马丁去世。似乎“海上霸王”的好运气也随着马丁一起消散了，12月7日首名海军飞行员驾驶第一架原型机的一次例行检查飞行中，飞机坠入切萨皮克湾，4名乘员全部丧生。由于没有安装黑匣子，所以人们只能推测事故调查，推测该机因飞行控制系统故障导致飞机进入俯冲，机翼变形后被撕裂。第二架原型机随后改装了新的飞行仪表和弹射座椅，1956年5月“海上霸王”才恢复试飞。
8月，设计人员找到了困扰两架原型机的机身振动的解决方案，其中一项就是采用可锁住升降舵的可变迎角“全动平尾”。1956年11月9日第二架原型机开始飞新修改的尾翼，在一次高速浅俯冲中改出时，飞行员鲍勃·特纳失去了俯仰控制，飞机进入剧烈的倒飞筋斗，幸好在机身解体时乘员都安全弹射。根据事后分析黑匣子，这次事故的原因是尾翼控制系统的设计中出现了液压动作器力矩计算错误，导致在高速时对平尾施加了过大的力矩。
尽管损失了两架原型机，美国海军还是急切地盼望着“海上霸王”。马丁公司为该机设计了登岸支架，使飞机可从水中滑行到岸上。海军也配套订购了两艘船坞登陆舰、两艘水上飞机勤务船，并且把SS-362“瓜维亚”号潜艇改装成AOSS-362补给潜艇，拆掉了两个鱼雷发射管，并在艇身两侧增加了两个大鼓包，可装60万升航空煤油。“海上霸王”的母港设在北卡州伊丽莎白市的哈维点海军航空站。海军甚至还计划改装几艘护航航母作为水上飞机母舰，由于“海上霸王”太重无法起吊，所以航母尾部会增加可收放斜坡让P6M自行上舰。
马丁公司设计的登岸支架
正在登岸的XP6M-1
与P6M配套的船坞登陆舰
用船坞登陆舰改装的水上飞机母舰
以及专门为P6M设计的浮船坞