La plupart des KC-135 ont en réalité assez peu volé : en service dans le Strategic Air Command, ils ont passé des années à attendre, en cas d'alerte, à effectuer leur mission de ravitailler les B-52 qui auraient attaqué l'Union soviétique. Mais les différents dérivés du KC-135 ont servi dans tous les conflits auxquels les États-Unis ont participé depuis les années 1950, de la Guerre du Viêt Nam aux conflits les plus récents. Ils se sont fait une très bonne réputation de fiabilité.
Nombre de dérivés furent construits, au point que seuls les plus importants seront cités ici : faciles à modifier, disponibles en grand nombre et offrant une capacité importante, les cellules de cette famille devinrent le "couteau suisse" de l'USAF. Par exemple, 56 KC-135A devinrent des KC-135Q, spécialement équipés pour ravitailler le SR-71. D'autres versions servirent d'appareils de commandement au-dessus du théâtre des opérations. Nombre de modifications très spécialisées, dont certaines sont encore secrètes, virent le jour, souvent en un seul exemplaire. Certains appareils furent ramenés à leur configuration précédente une fois le besoin disparu. Parmi leurs applications, citons la poursuite radar d'engins spatiaux (y compris pour le Programme Apollo), le transport de personnalités, les mesures dans l'atmosphère pendant des essais nucléaires, les vols "Zéro-g" et d'innombrables bancs d'essais pour des équipements ou des techniques.
Dans les années 1990, une vingtaine d'appareils (des KC-135R et des C-135) ont été transformés en RC-135 "Rivet Joint" de reconnaissance électromagnétique (détection de radars hostiles, interceptions de communications). Ces appareils, répartis en cinq versions, sont aisément reconnaissables au nez allongé et aux carénages latéraux qui abritent leurs nombreuses antennes.
Ironiquement, le tout premier avion de cette prolixe famille, le C-135 Stratolifter, fit une carrière courte, vite remplacé, dans le rôle d'avion cargo stratégique, par le Lockheed C-141 Starlifter. Les cellules ont cependant été converties à d'autres usages. Sa cabine trop exigüe n'en faisait pas un bon avion cargo. Les KC-135 le sont encore moins, puisque l'équipement de ravitaillement l'encombre partiellement, ils sont très peu utilisés dans ce rôle.
Un certain nombre de pays ont acheté des 707 civils et les ont convertis en ravitailleur, obtenant un appareil proche du KC-135E : c'est le cas du Brésil, de l'Afrique du Sud, d'Israël et du Venezuela. Ces avions ont un fuselage "civil" et ne sont donc pas des KC-135. Les États-Unis eux-mêmes ont utilisés des cellules de 707 (avec le fuselage plus grand) pour des applications où le C-135 manquait un peu de place.
Singapour et la Turquie, eux, ont acheté des KC-135R d'occasion à l'USAF.
La France a acheté 12 C-135F (F pour France) lors de la création de la composante de sa force aérienne stratégique (FAS), voulue par le général de Gaulle. Le premier exemplaire fut livré en février 1964. Un avion s'écrasa dans le Pacifique au décollage de l'atoll d'Hao en 1972 (C-135F no 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 :
Ils emploient un système de ravitaillement souple qui utilise un « panier » (drogue) au bout d'un tuyau souple (hose) fixé en extrémité du télescope (système BDA=Boom and Drogue Adaptator), au lieu d'un injecteur (nozzle) utilisé pour le ravitaillement en vol des avions de l'USAF dits « rigides ».
En 1986, une partie des KC-135 fut remotorisée avec des moteurs franco-américains CFM56-2B rebaptisés KC-135R (reengine) ; la France décida de s'associer à ce projet et remotorisa ses 11 C-135F dénommés C-135FR. Ils sont mis en œuvre en 2009 par le Groupe de Ravitaillement en Vol 02.093 Bretagne.
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-135R (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.