Le KC-10 a été livré au Strategic Air Command (SAC) de l'United States Air Force de 1981 à 1987 à 60 exemplaires. Le SAC a des KC-10 Extender en service entre 1981 et 1992 puis à sa dissolution, ils ont été ré-attribué à la nouvelle Air Mobility Command.
Dans le rôle de l'AAR, les KC-10 ont largement était utilisé au service de la stratégie de ravitaillement d'un grand nombre d'avions tactiques dans les couloirs aériens et le ravitaillement en vol d'autres avions de transport stratégique. Inversement, la flotte de KC-135 a largement été utilisé dans un rôle tactique.
Alors confronté à des refus de survol du continent Européen, au cours de l'opération El Dorado Canyon, les États-Unis ont été forcés d'utiliser les General Dynamics F-111 Aardvark basés au Royaume-Uni en 1986 pour les frappes aériennes contre la Libye. Le KC-10 a permis aux 29 General Dynamics F-111 Aardvark d'atteindre leurs objectifs.
La flotte de KC-10 a facilité le déploiement tactique, stratégique, et des avions de transport de l'Arabie saoudite lors de l'opération Bouclier du désert durant la Guerre du Golfe (1990-1991).
Il y a actuellement 59 KC-10 Extender en service. Le KC-10 a significativement une plus grande capacité de transport du carburant qu'un autre avion ravitailleur de l'United States Air Force, le KC-135, dont plus de 500 en sont toujours en service. Les KC-10 de USAF sont principalement stationnée à la Travis AFB, Californie et McGuire AFB, New Jersey.
Les deux KDC-10 hollandais, le T-264 « Bernhard zur Lippe Biesterfeld » ainsi que le T-235 « Jan Scheffer », ont tous les deux été utilisé en tant qu'avions ravitailleur et de transport. Ils sont stationnés à l'aéroport d'Eindhoven et font partie de la 334th Transport Squadron. Des 5 500 heures de vols durant les trois premières années d'utilisation, l'avion a été utilisé en tant qu'avion ravitailleur la moitié du temps.