Основным назначением самолета была дозаправка в воздухе, и львиная доля по объемам выпуска пришлась именно на заправщики. Первый серийный вариант назывался «модель 717-100А» и имел короткий киль, как у прототипа 367-80 и Боингов 707 ранних серий. В таком виде было построено всего 29 машин.
Самолет оснащался ТРД Прэтт энд Уитни J57-P-43WB или J57-P-59W тягой по 6237 кгс. Буква W означала water injection — для повышения тяги на взлетном режиме в камеры сгорания впрыскивалась смесь воды и метилового спирта, отчего такие машины прозвали «водовозками». Работа двигателей на «впрысковом» режиме сопровождалась адским грохотом и шлейфом прямо-таки паровозного дыма; при перевозке людей экипажу приходилось предупреждать «пассажиров» — мол, не бойтесь, это не отказ двигателей, просто выключили впрыск. Несмотря на впрыск «водки», тяговооруженность была низка — с полной заправкой самолет мог действовать только с полос длиной 4000 м и более.
Но «шумовые эффекты» — это мелочь. Хуже было то, что звуковые волны от двигателей, воздействуя на обшивку хвостовой части, вызывали усталость металла, грозя разрушением фюзеляжа. Проблему решили просто — усилили обшивку 25 алюминиевыми лентами, опоясывающими фюзеляж, как обручи на бочке. Таким манером была усилена вся хвостовая часть от зализа крыла до киля. Поначалу КС-135 летали некрашеными, и «полосатая» хвостовая часть сразу бросалась в глаза.
Вторая модификация (с усиленной хвостовой частью), построенная в 68 экземплярах, называлась «модель 717–146». Самый же массовый вариант заправщика, отличавшийся оборудованием, именовался «модель 717–148»; было построено 10 серий этих машин — в общей сложности 635 экземпляров.
Начиная с 583-го КС-135А (борт 62-3532, зав. № 18515). киль нарастили на 1 м надставкой сверху для улучшения путевой устойчивости и поставили более мощный бустер руля направления (одновременно эти усовершенствования были введены па Боинге 707). Как заметил по несколько иному поводу представитель авиакомпании «Пан Америкэн» Джон Боргер, «у фирмы «Боинг» была просто какая-то привычка делать у своих самолетов слишком маленькие хвосты!» Он был прав: та же история была с пассажирскими самолетами «модель 80», «модель 307 Стратолайнер», летающей лодкой «модель 314 Клиппер» и бомбардировщиком В-17 «Флаипг Фортресс» (Летающая крепость).
Со временем машины ранних серий были дооборудованы высокими килями и новыми бустерами. Позже на вершине киля установили небольшой обтекатель, выступающий за заднюю кромку; в нем размещалась направленная вниз фара для подсветки заправочной штанги при ночной дозаправке.
Самолеты комплектовались двумя типами «летающей» штанги. Стандартный вариант имел ограничение но скорости — 555 км/ч, со «скоростной» же штангой (на се крылышках так и писали — high speed boom) заправку можно было производить во всем диапазоне скоростей. Поскольку самолеты ВМС США использовали систему дозаправки «конус-штанга», КС-135А мог снабжаться переходником в виде шланга длиной около 4 м с воронкой на конце, в которую попадал приемной штангой заправляемый самолет. Па стоянке этот «коровий хвост» свисал почти до земли. Впрочем, в Штатах он применялся редко — ВМС предпочли двухточечные заправщики КС-130, оборудованные системой «конус- штанга».
В 1964 г. ВВС Франции получили 12 заправщиков КС-135А. Экспортный вариант именовался «модель 717–164» или C-135F (т. е. France); буквы К в обозначении не было, поскольку и так было известно, что во Францию поставлялись только заправщики. C-135F работали с истребителями и фронтовыми бомбардировщиками, оборудованными для заправки по системе «конус-штанга», а потому штатно были оснащены вышеупомянутым переходником.
С принятием на вооружение в 1965 г. сверхзвукового стратегического разведчика Локхид SR-71 «Блэкберд» (Черный дрозд) 56 самолетов КС-135А были переоборудованы в вариант KC-135Q, предназначенный для работы с «Блэкбердом». KC-135Q имел дополнительную аппаратуру ближней радионавигации (РСБН) для сближения с разведчиком и специальный разъем на заправочной штанге, позволяющий экипажам двух самолетов переговариваться, соблюдая радиомолчание.
SR-71 — машина весьма специфическая. В частности, при длительном полете на скорости в три «звука» планер нагревается до 500 °C, поэтому «Блэкберд» использует не керосин JP-1, как большинство самолетов, а специальное топливо марки JP-7. Оно имеет столь высокую температуру вспышки, что поджигать его приходится специальным реактивом — триэтилбором; тем не менее экипажи КС-135Q утверждали, что при необходимости двигатели заправщика могли работать и на нем.