為了延長航程，B-58還裝有空中加油係統，受油口位於飛行員風擋前1.125米處，同時，在左側機翼附近還有一個緊急泄油口，用於在緊急情況下釋放燃油。
機翼控製係統和起落架
B-58采用了懸臂式中單翼，無尾三角式布局，後掠式梯形垂尾，機翼為蜂窩結構，蜂窩結構采用了鋁合金、玻璃纖維以及粘膠劑製成，B-58的蜂窩夾層結構占了集體表麵的85%，這種結構的重量比鉚接結構輕了30%，機翼蒙皮由鋁合金材料製成，機身蒙皮采用複合材料，主要是石墨環氧樹脂，為了增強安全性，機上的鉚釘全部采用鈦金屬製造。
B-58的機翼蜂窩結構為B-58增加燃油量起了很大的作用，蜂窩式結構之間相通，燃油能夠在機翼之間流動。不過左右機翼油箱之間有閥門防止在作大過載機動時一個機翼油箱的燃油流向另外一個，使得飛機重心改變。機翼蒙皮表麵下的有機玻璃纖維用於隔絕機翼蒙皮和空氣劇烈摩擦產生的熱量。
後掠式梯形垂尾，桁條結構和加強肋構成了內部框架，鋁合金蒙皮方向舵由11個鉸接點和垂直尾翼相連，機翼副翼為不鏽鋼材料，采用銅合金和機身相連。B-58的控製麵為方向舵和兩個副翼，機上的持續過載保護裝置能夠在自動飛行模式下防止飛行員操縱不當引起飛機機動過載過大，該機的飛行控製係統包括一個自動調配係統，具有三種工作模式：即起飛降落、人工操作、自動飛行狀態。每種工作狀態自動調配係統都會將副翼鎖定在一定的角度。
該機的主起落架為8輪小車式結構，前後兩個軸上都有4個機輪，為了解決在試驗中發現的B-58在降落時容易爆胎的不足，康維爾在每對機輪之間加裝了鋼質護套，及時將熱量傳遞出去，同時也能夠在爆胎時充當緊急輪胎。主起落架通過大型的支撐架以及U型連接器和機身相連。主起落架收起後放入機翼蒙皮內，該機的起落架收起機構相當的複雜，在收起時，必須先將整個起落架在U型連接器部位折疊，然後再向後收入起落架艙內。但這套負責的收起設備卻從未曾在起飛降落階段發生過任何的事故。
前起落架為雙輪式結構，由於莢艙離前起落架距離非常近，因此前起落架也是相當的複雜，起落架的收回耗時10秒鍾。B-58的減速傘位於尾炮艙前，減速傘直徑達8.5米。
防禦係統和電子設備
B-58的尾炮為通用電氣公司的T-171E-36管20毫米轉管炮，最大射速4000發/分，配有愛墨生MD-7雷達用於搜索來襲的敵機，MD-7工作在Ku波段，雷達將數據將直接傳輸至位於尾炮後麵的計算機上，計算機通過收集更多的數據選擇是自動射擊還是交由防禦係統操作手手動控製尾炮，B-58總共備有1200發炮彈。
機上的電子設備提供了預警和幹擾功能，B-58裝有AN/ALR-12雷達告警接收機和AL/ALQ-16幹擾發生器，能夠從接收到的敵方雷達信號中檢測出敵方雷達信號的參數，然後用相同的參數發射虛假的角度和距離信息，每個主起落架的整流罩上裝有AN/ALE-16箔條發射器。B-58裝備有雷神公司出品的Ku波段搜索雷達，工作頻率為16-17GHZ。
機上的轟炸係統主要為斯佩裏公司的AN/ASQ-42係統，這個係統由6個子係統組成，即位於後機身的AN/APN-113多普勒雷達用於測定B-58相對於地麵的飛行速度和機外空氣的速度；位於機頭的羅斯曼機械公司的KS-39天體觀測儀和遠程無線電羅盤，用於確定飛機的位置；機身中部的導航子係統不斷的測試飛機的飛行高度和飛機的經緯度位置；機頭的搜索雷達和高精度無線電高度表用於測定飛機和導航點的距離指示可以投放炸彈的信號產生器；故障檢測係統，用於檢測主導航係統的故障並在發生故障時提供備用導航信號。
主導航係統主要由本迪克斯公司和摩托羅拉公司提供，其主要器件為多普勒雷達和慣性導航係統。同時，B-58還裝備了語音提示警告功能，從發動機著火到液壓係統失靈，語音提示警告都能在第一時間向飛行員發出警告。
莢艙
B-58的莢艙為MB-1C，流線型艙體，采用兩截副油箱焊接而成，內裝有爆炸當量可調的自由落體式核彈，莢艙全長22.86米，直徑最大處為1.5米，空重1134公斤，在滿載燃油和一枚標準的W39Y1-1核彈時，全重達到11000公斤，整個莢艙由3枚螺栓和機體相連。莢艙內分多層，其中前半部分和後半部分為燃油艙，中間部分的上層為炸彈艙，下層為設備艙。
莢艙艙尾上有四片小翼麵，用於在莢艙自由下落中保持橫滾穩定。艙內的核彈由位於艙內的壓力引信引爆，投放前任務指揮官將會根據任務命令設定核彈的爆炸高度，隨即機上的大氣數據計算機立即將高度轉換成目標區的氣壓，在莢艙投下時，莢艙內的燃油將被自動傾瀉。
B-58機上裝有AN/ASH-15炸彈損傷評估係統，在莢艙投放後，係統會連續不斷的向飛機提供莢艙的坐標數據，機上的存儲係統則會將這些數據存儲起來。當核彈爆炸時，機上的光敏元件會紀錄爆炸產生的瞬時光強度，然後根據莢艙最後的坐標位置解算出爆炸的強度、殺傷力等數據。
不過，MB-1C在美軍中的服役時間並不長，後來開發的新的莢艙即TCP，外形和原來的MB-1C相同，不過采用了上下兩個莢艙的結構，上層為BLU2/B-1炸彈吊艙，全長10.5米，最大直徑為1米，尾部有3片小型翼麵，其中一片在和下層相連使呈折疊狀態，炸彈艙全重5430公斤，下層為BLU2/B-2燃油艙，分為前後兩個油箱，空重860公斤，滿載燃油時重為11800公斤，上層莢艙半墁於下層燃油艙中，上下兩層獨立和機身相連，燃油艙和機身分離後，炸彈艙仍能獨立和機身相連。TCP雖然比MB-1C先進，不過由於後者的炸彈艙更大，為此，在執行特殊任務時還是會用到MB-1C。
當然，B-58在位於機身和主起落架之間的掛點上還能夠掛載4枚MK。43核彈，MK。43核彈重大1噸，長超過3.6米，爆炸當量100萬噸。
美軍後期還發展了MA-1C莢艙，MA-1C是MB-1C的改進型號，加裝了貝爾航空公司的LR81-BA-1液體火箭發動機，火箭發動機采用JP-4和霧化硝酸的混合物，莢艙最大射程250公裏。莢艙最大飛行高度30000米，最大飛行速度5200千米/小時，不過後來由於技術原因MA-1C被取消。
試飛
1956年7月，第一架B-58A開始在康維爾公司的廠房內組裝，此時該機的綽號“盜賊”開始流傳，不過“盜賊”的綽號早在1952年就已經開始在空軍內部和康維爾公司流傳，以至於後來美國空軍將其變成了該機的官方代號。康維爾公司還規定，在和平時期，B-58的每月飛行時間不能超過40小時，而戰時則可以達到105小時。
首架正在組裝的YB/RB-58編號為55-0660，該機一直到8月末才下線，同年9月4日在拖車的牽引下緩緩的駕出了康維爾廠房的大門，此時該機還有很多設備沒有裝，機內裝的大多都是實驗器材。望著這架外型前衛的轟炸機，許多在場的人不禁感慨到：末代轟炸機誕生了。
10月1日，這架B-58進行了首次發動機點火試驗，28天後即29號，第一次地麵滑行試驗順利進行。
1956年11月11日，激動人心的時刻到來了，在得克薩斯州的卡斯維爾空軍基地外場人聲鼎沸，基地跑道上，這架編號為55-0660的B-58拖著長長的尾焰，在上千雙眼睛的注視之下，轟鳴著離開跑道飛上了藍天，隨即人們湧進機場，歡呼聲猶如雷鳴。請記住這三位功臣飛行員，飛行員B。A。艾裏克森，係統專家約翰·D·麥克臣，試飛工程師查裏斯·P·哈裏森。為了安全起見，該機並沒有攜帶莢艙。這次試飛很輕鬆就達到了1170千米/小時，而在12月30的試飛中，該機的最大飛行速度達到了1521千米/小時，成功實現超音速。
隨後就開始了一類試飛，試飛總時間持續了將近3000飛行小時。1957年2月16日，編號為55-0661的YB-58首次攜帶MB-1莢艙飛行。6月29日，第一架原型機攜帶空載的MB-1進行了超越2600千米/小時的速度試飛，該機在13213米的高度，最大飛行速度達到了2639千米/小時。接著，B-58家族又一次次的刷新空投莢艙的速度和高度紀錄，12月20日，一架YB-58從18000米高空，在2600千米/小時的飛行速度下成功的空投了一具莢艙，達到了設計要求。
雖然B-58一次次的刷新世界紀錄，但問題也如火山爆發般湧現，首先是油箱內的燃油在飛機加速或者減速時晃動、飛濺造成飛機空中飛行的不穩定；加力燃燒室工作不穩定造成該機在超音速飛行情況下的偏航；發動機震動造成飛機疲勞裂紋和飛行員在飛行過程中極易疲勞……，所有這些都影響了後續的試飛。雖然新型飛機在試飛中出現問題是正常的，但B-58的問題似乎無窮無盡，使得該機“有幸”成為人類航空史上最令人失望的飛機。
為了測試機身的疲勞裂紋，1957年3月，一架沒有加裝發動機的B-58機身由一架B-36F吊裝在機腹送至懷特-帕特森空軍基地的懷特發展中心結構試驗實驗室，康維爾公司的工程師絞盡腦汁才想出這個辦法，為了能夠掛載B-58，B-36F不得不犧牲了其內側的螺旋槳。前蘇聯的克格勃還向總部發回報告稱，美國正在進行一種超級轟炸機方案，將由B-36空中發射。除了克格勃被騙外，一些在機場拍攝的照片被公布後，許多美軍的基層官員也以為是空軍用B-36發射B-58的新項目。
1957年後期，第一台YJ79-GE-5發動機被送至康維爾公司，從1959年3月開始，二類試飛開試，兩架YB-58A飛別在加州的愛德華茲空軍基地和康維爾的福特沃斯試驗場進行了256架次，1216飛行小時的試驗，J79-GE-5發動機的試驗也在二類試飛中進行。從1958年至1960年的3年時間裏，康維爾共損失了7架B-58.
在第二階段試飛結束後，空軍於1959年6月11日宣布，美國空軍將購買290架B-58，包括其中的30架為生產型和試驗型，美國空軍將為此組建5個B-58轟炸機聯隊，根據時間估計，1960年11月第一個實戰中隊將進入實戰部署。
服役曆程
第一架正式生產型B-58於1959年春離開康維爾的生產線，不過B-58在試飛時還有很多的問題沒有解決，同年7月14日，資金問題迫使戰略空軍隻好削減B-58的定購數量至148架，此時康維爾已經開工全力組裝B-58的正式生產型，每月產量為6架。而五角大樓對B-58的進展十分的不滿，因為B-58的許多性能還沒有達到原先的設計要求，而且維護和發動機問題還沒有得到很好的解決。按照樂觀的估算，美軍在1961財年將為訂購的118架B-58支付超過30億美元的金額，也就是說最樂觀的估計，每架B-58的價格已經超過和其機身等重的黃金的價值了。
1959年和1960年的事故率相當的高，以至於戰略空軍司令部拒絕接受該機，而且雖然B-58早已經出廠，但結合了資金短缺、其他武器係統的競爭另外還有B-58自身的技術等一係列的原因使得該機交付作戰部隊遲遲無法實現，SAC原計劃打算1960年6月就讓B-58裝備作戰部隊，但鑒於該機目前的狀況，第一支B-58轟炸機連隊恐怕要到1961年初才能成軍。
隨後B-58轟炸機聯隊的駐地選擇也正式開始，經過比較，卡斯維爾基地和邦克山基地由於建有維修廠棚而被選為先期兩個B-58聯隊的駐地，第三基地選址經過多方討論比較，最後選定為阿肯色州的利特爾洛克基地，在這些基地擴建和整修的時候，配屬這些基地的KC-135加油機也開始訂購。