KC-135 từng tham gia hỗ trợ tiếp liệu trên không cho Không quân, Hải quân, Thủy quân Lục chiến Mỹ và các quốc gia đồng minh, phục vụ vận chuyển hàng hóa cùng binh sĩ, đồng thời cũng tham gia hoạt động sơ tán y tế bằng đường hàng không. KC-135 còn được coi là một trong những máy bay biểu tượng của Không quân Mỹ.

KC-135 được chuyển giao lần đầu tiên cho Không quân Mỹ vào tháng 6/1957. Chiếc KC-135 cuối cùng đã được xuất xưởng vào năm 1966.

Trong những năm 1980, Không quân Mỹ nâng cấp khoảng một nửa trong số 732 chiếc KC-135 thuộc phiên chế, tạo điều kiện để chúng tăng 50% lượng nhiên liệu có thể tiếp trên không, nâng hiệu suất và giảm chi phí vận hành. Những chiếc máy bay này tiếp tục được nâng cấp trong suốt vòng đời để mở rộng khả năng và cải thiện độ tin cậy. Những nâng cấp này bao gồm cải tiến thiết bị liên lạc, dẫn đường, lái tự động và giám sát.

Tùy thuộc vào cấu hình lưu trữ nhiên liệu, KC-135 có thể chở tới 37.600 kg hàng hóa và đạt tốc độ tối đa 853 km/h. Đáng chú ý, KC-235 có thể vận chuyển tới 90.719 kg nhiên liệu.

Hầu như toàn bộ nhiên liệu bên trong có thể được bơm qua ống tiếp nhiên liệu – phương thức tiếp nhiên liệu chính của KC-135. Một thành viên trong phi hành đoàn 3 người, gọi là nhân viên điều khiển ống tiếp nhiên liệu, được bố trí ở phía sau máy bay và điều khiển thiết bị này trên không.

Theo trang Military, Không quân Mỹ dự định thay thế dòng KC-135 đã có tuổi bằng những chiếc máy bay tiếp liệu KC-767 hiện đại hơn.