1960年1月，美國空軍正式宣布了第一個裝備B-58的轟炸機聯隊即第43轟炸機聯隊，下轄63轟炸機中隊，64轟炸機中隊，65轟炸機中隊，聯隊暫駐紮於戴維斯-墨鬆基地，2個月後，聯隊正式遷往卡斯維爾基地。同年8月1日，美國空軍正式宣布B-58進入空軍服役，編號為59-2436的B-58攜帶全套裝備在命令宣布後不久伴隨著夏日的太陽降落於卡斯維爾基地，正式交付第43轟炸機聯隊。
第二支裝備B-58的聯隊是第305轟炸機聯隊，駐地為邦克山空軍基地，下轄364轟炸機中隊，365轟炸機中隊，366轟炸機中隊。1961年1月9日正式對外宣布番號，同年5月11日，第一架B-58A降落在邦克山基地的跑道上，第305聯隊於次年8月宣布進入戰備值班。被B-58技術問題困擾的第43轟炸機聯隊在經過長時間的停飛、整修後於1962年宣布進入戰備值班。
但就在B-58不斷創造世界紀錄時，SAC卻被告知B-58的定購數量將會下降，原定於1962財年訂購的30架B-58將被取消，由此造成的轟炸機空缺由B-47延遲退役填補。原因很簡單，B-58實在太貴了，單機的價格已經上升到了1400萬美元，是B-52G的三倍，而且美軍已經在上馬B-70項目，性能更加先進，價格也更為合理的B-70是美軍下一代的轟炸機，B-58將和B-70爭奪有限的資金。
B-58的服役時間相當的短暫，1965年12月，當時的美國國防部長羅伯特·邁克納馬拉宣布B-58開始推出美軍現役，他認為B-58的高空高速性能已經無法有效撕開前蘇聯嚴密的防空網。隨即，該機的後續機種FB-111A上馬。FB-111A和民兵彈道導彈、北極星潛射彈道導彈的改進，另外還有B-52轟炸機的繼續升級，這些已經足夠應付美國空軍當時的戰略轟炸需要，昂貴的B-58到了退役的時候了。而戰略空軍司令部方麵，雖然B-58的高耗油率造成該機的航程十分的有限，但花了這麼大力氣搞出來的B-58在其他性能方麵是無可挑剔的，因此，SAC向國防部強烈要求保留B-58，至少到1974年。但美國國防部的決定卻很難動搖。
當然美國國防部提前讓B-58退役也有說不出的苦衷，和B-52相比，B-58的不光研製、製造經費驚人，而且使用費用也相當的可觀，一架B-58如果包括機組成員的裝備、地麵設備等算起來總價值可以達到3350萬美元，而B-52隻須900萬美元，B-47更是隻要300萬美元，維持兩個B-58聯隊的費用和6個B-52轟炸機聯隊相當，這些都是國防部一直在考慮的問題。
而更令五角大樓頭痛的問題是，康威爾總共製造了116架B-58，居然有26架墜毀。當然很多是由於一些機組成員的粗心大意造成的，不過不管怎麼樣，在美國空軍和戰略空軍司令部高層的印象中，B-58是一種好看但也是不太可靠的轟炸機，替換在所難免。
1969年10月27日，美國國防部長萊爾德宣布關閉幾處空軍基地，這其中就有邦克山基地，這些基地的關閉也意味著原先駐紮在此的B-58聯隊徹底的解散。
第一架被送至有飛機墳場之稱的戴維斯空軍基地的B-58是59-2446，時間是1969年11月5日，隨即，B-58的轉移速度逐漸加快，305轟炸機聯隊於1970年1月16日轉移了最後2架B-58，這是最後2架B-58，305聯隊的飛行員含著眼淚駕駛著B-58飛向其最後的目的地。
至1970年1月底，所有的B-58A和TB-58A除了有部分被博物館收藏外其餘全部轉移至戴維斯基地封存，80餘架B-58在此接受風吹雨淋了數十年後，拆除了所有的裝備，一代名機隨即推出了曆史舞台。
B-58B出擊
由於B-58A存在部分不足，康威爾向美國空軍建議發展一種改進型號即B-58B，該機將裝備4台通用電氣的J79-GE-9發動機，而且B-58B的機身將加長，為了改善操縱性能，該機還將延長機翼內側的襟翼係統。
B-58B最大的改進是B型能夠使用更多的武器類型，B型的機腹莢艙將更大，除了能夠裝載更多的燃油外，莢艙內當然還能掛載常規武器。而且，康威爾還宣稱新研製的大型空射導彈也將可以裝備B-58B，有架55-0668B-58A曾被用於改裝成B-58B，但此時後來不了了之。
康威爾除了推出B-58B外，還論證了B-58C，C型公司代號B-J/58，對A型進行了徹底的改進，機身延長1.5米，全新的襟翼係統和尾翼，全新的普·惠公司的J58發動機，但美軍認為該機過分依賴老技術，而阿伯丁研究與發展中心在研究後也指出，康維爾提供的該機空中加油9600公裏的航程值得懷疑，並且該機機身材料中鋁合金的過分使用將在未來超音速巡航中製造相當棘手的麻煩。1961年，新上台的肯尼迪政府最終還是決定砍掉這個項目。
在康維爾公司的計劃中當然還有盜賊D和盜賊E，不過這些都是公司內部的編號，美國空軍並沒有為這些機型分配編號。B-58由於特殊的飛行品質，急需製造一種類似的教練機來訓練飛行員，為了節省資金，康維爾決定還是將原先用於試驗的30架B-58早期型號進行改裝，1959年2月25日，美國空軍決定將原先30架試驗型B-58中的4架改裝成教練機，教練機編號TB-58A，同年9月15日，TB-58A正式立項。
在TB-58A中，前艙為學員艙，原先的導航員艙被改為教官艙。為了給教官有良好的視野，教官艙的位置右偏機身軸線約10度。第三艙通常是為了精通操作而跟班的一些較老的飛行員。要區分TB-58A和B-58A主要看第二艙的座艙蓋，如果是透明的則是TB-58A，若隻有很小的觀察窗則隻有B-58A。第一艙和第二艙之間是密封的，而第二艙和第三艙之間則是相同的，在飛行途中，後麵兩位飛行員可以通過管道互換位置。為了節省成本，康維爾取消了TB-58A上的自動駕駛儀和B-58A上昂貴的主導航係統、轟炸係統，並且將B-58A上的尾炮和電子幹擾係統也拆除。
首架TB-58A編號為55-0670，1959年5月10日首飛，1960年8月交付美國空軍，美軍一共接收了8架TB-58A。
試驗平台
試驗平台在B-58的服役生涯中，為洛克希德的終極截擊機YF-12A進行武器和火控係統的試驗以及XB-70進行了發動機試驗使B-58的神秘色彩更加的濃重。
為YF-12A準備的導彈和火控係統是休斯公司負責研製的GAR-9和AN/ASG-18火控係統，這兩型係統原本是專門為F-108輕劍而研製的，輕劍下馬後，這兩型係統隨即被用在了YF-12A上，此時YF-12還沒有原型機下線，為了加快研製的進度，這對黃金搭檔隨即在B-58上開始了前期的試驗。
1958年10月17日，康維爾公司和休斯以及美國空軍簽訂了發展協議，康維爾將為後兩者研製兩種特殊的吊艙用於GAR-9導彈係統，並且將改裝一架B-58用於係統的整合試驗。編號為55-0665的B-58被改裝。
AN/ASG-18的雷達擁有曆史上最大直徑的天線，為了能夠容下巨大的AN/ASG-18火控係統，B-58A機身不得不加長了2.1米，同時為了攜帶和發射GAR-9導彈，康維爾公司還專門研製了新型的莢艙，吊艙內取消了原來的油箱，隻裝GAR-9導彈和製冷係統。康維爾總共製造了2個莢艙，1960年年初就進行了火控係統的測試，第一枚GAR-9的發射卻直至1962年5月25日才進行，1962年年末，已經有多架YF-12A完成了測試，GAR-9的實彈測試交由YF-12A自己執行，1964年2月，B-58進行了最後一次GAR-9導彈的發射後解甲歸田。
電子偵察型盜賊
1956年1月，康維爾向美國空軍提交了一份絕密報告—用AN/APQ-69側視雷達改裝B-58，使之成為一架超級偵察機。AN/APQ-69是當時休斯公司開發的一種巨無霸型的測試雷達，其天線長度超過15米。
1959年1月，休斯公司的專車將一具AN/APQ-69雷達送至康維爾公司，由於雷達的體積過大，康維爾的技術人員幾乎是將雷達“塞進”吊艙的，而且雷達擠占了吊艙內的油箱，偵察型B-58A的航程也為此縮短。同年12月24日開始，這架編號為5-0668的B-58A就攜帶AN/APQ-69雷達開始了試飛，在試驗中，雷達的最大探測距離為80公裏，分辨率3米，同時在試驗中發現，由於加裝了特殊的天線，該機無法實現超音速飛行，後來項目隨即被取消。
不過盜賊2倍的飛行速度實在誘人，懷特空軍發展中心的空中偵察實驗室又提出了另一種偵察機方案，用固特異公司的AN/APS-73雷達代替原來的AN/APQ-69雷達，工程代號“快速支票”。新型的AN/APS-73雷達工作在X波段，是一種合成孔徑雷達，具有並行地形測繪能力，在15米的分辨率的情況下具有150公裏的探測距離，而且AN/APS-73雷達體積更小，改裝更容易，對B-58的飛行性能影響也小。隨即編號為55-0668的B-58A被改裝，並於1961年5月交付。在1962年10月的古巴導彈危機中，該機成功的飛躍古巴領空，不過事後卻發現該機在高亞音速飛行時照片的分辨率才是最高的，這也成了該機唯一的缺陷，事後項目就被取消。
這架編號為55-0668的B-58A隨即被送往康維爾的新工廠被用於B-58B的試驗，並於B-58B計劃執行的後期被改裝成TB-58A教練機，該機現保存在得克薩斯州的西南航空博物館。
空射彈道導彈
1958年春，有人提議用B-58作為空中平台，發射彈道導彈，具有超音速飛行能力的B-58加上具有超強威力的彈道導彈絕對是夢幻組合，美國空軍為之怦然心動，於是立項開始試驗，工程代號“響彈”。洛克希德導彈和空間係統分部負責導彈的研製，康維爾則負責改裝B-58，為了掛載大型的導彈，B-58的機腹下必須加掛大型的掛架，一架編號為55-0660的B-58推進了康維爾德工廠開始進行改進。
洛克希德為美軍製造了4枚樣彈，導彈代號為“高空室女座”，工程代號199C，為了加快工程進度，洛克希德在製造導彈時，采用了部分XQ-5，X-17，下士等試驗機以及導彈上的部分成熟元件，導彈最後長9米，彈體直徑0.78米，采用了一台XM-20固體火箭發動機，推力2000公斤，工作時間39秒，導彈采用慣性製導方式。發射總重量為5000公斤，1958年9月5日在卡納維拉爾角發射場進行了首次發射試驗，導彈脫離B-58載機6秒鍾後，火箭發動機成功點火，不過導彈飛行了幾十秒鍾後導彈發生劇烈震動，試驗被迫取消，導彈最後掉入大西洋。
2月19日，B-58以2080千米/小時的速度發射了這枚導彈，導彈成功的點火並加速至7800千米/小時，導彈最後飛行了3000公裏。次年6月，第三發導彈也進行了成功的發射試驗，該彈的最大飛行高度達到了58000米。
1959年9月22日，第四發也是最後一發導彈被用於其他用途的發射試驗，洛克希德在該彈彈頭內加裝了13架相機，不過這些相機倒不是為了偵查，而是為了拍攝人造衛星，洛克希德當時的大膽設想是采用空射導彈是否可能攻擊並擊落人造衛星。
導彈的目標是探索者4號衛星，不過就在發射前期，試驗人員被告知原先從NASA得到的探索者4的軌道參數有誤，於是該彈的目標又臨時改成了新發射的探索者5號衛星。載機爬升到11430米高度，在2600千米/小時的飛行速度下，發射了這枚導彈，導彈很順利地脫離飛機，然後發動機點火開始爬升，不過30秒鍾後，導彈和控製中心失去聯係，試驗以失敗告終。後期由於資金缺乏，美國空軍停止了該項頗有前途的試驗。