Les premiers ravitailleurs en vol étaient des avions à hélices. Après la Seconde Guerre Mondiale, l'USAF utilisait par exemple des B-29 Superfortress modifiés. Ceci commença à poser des problèmes après l'apparition des premiers chasseurs et les bombardiers à réaction, car ces avions plus rapides devaient réduire leur altitude et leur vitesse lors du ravitaillement, ce qui retardait leur plan de vol. De plus, ces appareils ravitailleurs mettaient longtemps à arriver au point de rendez-vous et étaient plus que faciles à intercepter pour des chasseurs ennemis.
La firme Boeing comprit au début des années 1950 qu'une "citerne volante" à réaction était nécessaire. Elle décida de développer un prototype "Dash 80", qui vola en 54 et devait donner naissance d'une part à un ravitailleur en vol possédant aussi des capacités d'avion-cargo (le C/KC-135) et d'autre part à un avion de ligne civil (le 707). Ce prototype vola en 1954. Ce projet, financé en interne et développé d'abord dans le secret, était une prise de risque énorme pour Boeing, qui aurait probablement périclité en cas d'échec.
L'avion innovait en plusieurs points, par exemple il était le premier à disposer de réacteurs montés en nacelle sous les ailes, une disposition reprise sur la plupart des avions de lignes depuis. De façon générale, la silhouette de l'avion semble aujourd'hui manquer terriblement d'originalité, mais la raison en est que tous les constructeurs s'en sont inspirés. Le fuselage de l'appareil n'était pas exactement cylindrique, mais légèrement bilobé. L'avion avait largement bénéficié de l'expérience acquise par Boeing en concevant le B-52. Il employait le même réacteur (mais seulement quatre au lieu de huit) - mais il n'y avait pas beaucoup de réacteurs disponibles à l'époque.
Les C-135 ne sont pas identiques aux 707 : en effet ce dernier a reçu, dans la version de série, un fuselage d'un diamètre supérieur (10 centimètres de plus) et allongé de 5 mètres pour améliorer la capacité et le confort à bord (décision inspirée par la concurrence du DC-8), tandis que la version militaire a gardé le fuselage du prototype. De plus, le C-135 n'a pas de hublots le long de sa cabine. Contrairement à l'idée répandue, ce sont donc deux avions bien différents, même s'ils partagent nombre d'éléments.
La même année, l'USAF commanda les premiers KC-135 (désignation militaire, la désignation constructeur Boeing Model 717 étant vite tombée en désuétude et a, curieusement, été réutilisée depuis pour le Boeing 717). Un total de 732 unités lui furent livrées de 1957 à 1965. À ceux-là s'ajoutent quelques dizaines de C-135 sans capacité de ravitaillement, les variantes de guerre électronique, et un contrat à l'exportation pour cette époque de 12 C-135F (F pour France) achetés pour la création de la composante de sa Force Aérienne stratégique (FAS), voulue par le Général de Gaulle dont le premier fut livré en février 1964. Un avion s'écrasa dans le Pacifique au décollage de l'atoll d'Hao en 1972 (C-135F n° 473) au cours de la campagne des essais nucléaires Français. Ces appareils, derniers de la série de Boeing, furent conçus suivant des configurations spécifiques à la demande Française (transport de 102 passagers, cargo avec plancher renforcé pour emport de fret, configuration sanitaire pour 40 blessés, double système de pressurisation et de conditionnement d'air). Ils emploient un système de ravitaillement différent qui utilise un "panier" (Drogue) au bout d'un tuyau souple (Hose) fixé en extrémité du télescope, au lieu d'une perche rigide télescopique avec à son extrémité un injecteur(Nozzle) utilisé pour le ravitaillement en vol des avions de l'USAF. En 1986, un certain nombre de KC-135 furent remotorisés avec des moteurs Franco-américains CFM-562B rebaptisés KC-135R (reegine), la France décida de s'associer à ce projet et remotorisa ses 11 C-135F dénommés C-135FR. Depuis l'achat d'avions AWACS Boeing E-3 Sentry par la France, ses 11 C-135FR équipés d'une nacelle en bout de chaque aile, modification réalisée en 1995, appelée MPRS (Multi Point Refueling System pour les États Unis) et ses 3 KC-135FR (non modifiés MPRS), achetés à l'USAF en 1997, sont aptes au ravitaillement rigide sur la perche en point central "Boom" après un échange du système "Probe and Drogue" et l'adaptation du "Nozzle". Cette opération technique réalisable en une heure et demie environ, offre aux C-135FR une grande souplesse et diversité d’utilisation.
