KC-135同温层加油机是一款最大起飞重量达146.284吨的大型空中加油机，翼展39.9米，机长41.5米，机高12.7米。配备四台CFM国际F108涡扇发动机，单台推力9,814公斤力，可在15,240米高空飞行，在9,144米高度巡航速度可达每小时853公里。作为加油机，其最大燃油转移载荷为90,718公斤，通过伸缩套管加油时速率可达每分钟4,164升，使用多点系统吊舱时则为每分钟1,703升。该机最大载重能力为37,648公斤，可搭载37名乘客或六个货物托盘，在携带68,039公斤转移燃油时航程为2,414公里，执行转场任务时最大航程可达17,727公里。 该系列飞机外观与波音707客机相似，于1956年8月31日首飞，机队于1957年6月至1965年1月间交付，并在1957年于加利福尼亚州卡斯尔空军基地形成初始作战能力。自1984年7月起，该型机通过两项独立并行的发动机更换计划，被重新改造为KC-135E及目前的KC-135R型号。部分经过改装的KC-135R在两侧机翼下方安装了多点系统软管-锥套式加油吊舱，能够同时为两架北约或海军飞机实施软管加油。少数驻扎在堪萨斯州麦康奈尔空军基地的RT型飞机还具备空中受油能力，其机身前部加装有受油插座。此外，该机可配备吊舱式大型飞机红外对抗系统，以在高威胁任务中跟踪和干扰红外制导导弹。 该机队的现代化升级持续推进。在2024财年，所有飞机完成了Block 45驾驶舱升级，其玻璃化座舱增加了数字发动机显示器、雷达高度表、先进自动驾驶仪和现代飞行指引仪。当前正在进行的改进包括：用铱星系统替换原有的远距离海洋卫星跟踪与指挥控制系统；引入驾驶舱实时联网系统，使执行任务的飞机能够接入Link-16和态势感知数据链；加装方向舵位置指示器以提升机组人员的安全意识。美国空军还计划在2025财年开始部署移动用户目标系统（一种安全抗干扰的视距外通信系统），并对视距内通信系统进行SATURN改进型调制解调器升级和加密现代化改造，同时启动高频无线电的更换工作。空军研究实验室近期还测试了原型翼梢小翼，以期提高KC-135的燃油效率。 该系列共生产732架，其中420架改装为KC-135R。目前现役为325架KC-135R和51架KC-135T（一说是总数365架，现在得减1），由空军教育和训练司令部、空军装备司令部、空中机动司令部、太平洋空军、美国驻欧洲空军、空军国民警卫队及空军预备役司令部共同操作。主要部署地点包括俄克拉荷马州阿尔特斯、加利福尼亚州比尔、华盛顿州费尔柴尔德等多处本土基地，以及日本嘉手纳和英国米尔登霍尔等海外基地。机组通常包括两名飞行员、一名领航员和一名伸缩套管操作员，若执行空中医疗后送任务，可配置两名飞行护士和三名医疗技师。 美国空中机动司令部(AMC)主要使用KC-135、KC-10和KC-46加油机为整个美国军队以及联盟行动和联合训练活动期间的盟友和合作伙伴提供大部分空中加油支持。但整个KC-10机队正在退役，KC-135在空军服役，逐渐需要退役，而替换计划仍在不断变化中。目前KC-46加油机的订单仍受到技术和供应链问题的困扰，不足以一对一替换剩余的KC-135。空军还希望通过其下一代空中加油系统(NGAS)计划，在2040年之前部署更先进、生存能力更强的加油机以及其他新的空中加油能力。空军还在考虑增加新功能，包括发射无人机群的能力，进行其他升级，但这都需要时间，因此需要继续建立一个重要的支持结构来维持这些飞机，私营公司正好是完美的接盘侠，美国已经在2023年6月23日到6月29日在美国海军主导的“坚决猎人23-2”演习中，MSM公司的KC-135R首次为美国空军提供了空中加油，有望缓解军方加油机队日益增加的压力。