KC-135空中加油机主翼后掠角三十五度。机翼下装有4台喷气式发动机，最初采用J57-P-59W涡轮喷气发动机，单台推力6236公斤，总推力24944公斤。机体可分上、下两个部分。上半部一般作为货舱，下半部几乎全部是燃油舱，货舱左舷配置一个大型货舱门。
机身后段是加油作业区。以KC-135E为例，可装载约二十二万七千五百磅的燃油，货舱内最多能装载八万三千磅的货物。机组人员共有四至五名机组人员：正、副驾驶，领航员及空中加油操纵员，机上通常有第五名组员观察员。加油操纵员的任务是完成加油机与受油机之间的联络、对接及控制加油量的工作。
KC-135在为一架B-52战略轰炸机实施加油KC-135加油机可以给各种性能不同的飞机加油。喷气式战机在加油时排除了象KC-97螺旋桨式加油机那样，让受油者降低高度及速度的麻烦，既提高了加油安全性，也提高了受油机的任务效率。KC-135空中加油机采用的是伸缩套管式（硬管式）加油方式，输油率很高，每分钟达975～1690升，由机外伸缩主管、伸缩套管和V型操纵舵组成。
