为了提升该机的综合性能，美国空军先后对其进行多次改进。改进后，该机可使用不同的数据链在战区内相互通信联系，其信息收集、传递和发送能力明显增强，加油效率极大提高。2003年伊拉克战争中，KC-135为配合英军的“狂风”战斗机的空中加油需要，又增加了两个软式加油吊舱。
为了延长服役期限，提高战术技术性能，美国空军改装了300余架KC-135空中加油机。KC-135空中加油机的改进型为KC-135E（配备TF-33-PW-102发动机）与KC-135R（配备F108-CF-100发动机，即CFM-56发动机）。用美、法联合研制的CFM-56涡轮风扇发动机改装后的KC-135空中加油机称为KC-135R空中加油机。第一架改装的KC-135空中加油机于1982年试飞，1980年代末改装全部完成。美国空军逐步将KC-135E提升至KC-135R的规格。美国空军在2002年启动KC-135“灵巧加油机”计划。改进后的KC-135有更强的收集、传递和发送信息能力，能使用不同的数据链在战区内相互通讯联系，从而极大提高战区加油的效率。此外，KC-135还将增添通信设备加强通信能力。
美国空军于在2002年9月启动KC-135“灵巧加油机”计划。这项计划把当时现役的40架KC-135加油机改装成为“灵巧加油机”。改进后的KC-135拥有了更强的收集、传递和发送信息能力，能使用不同的数据链在战区内相互通信联系，从而极大提高战区加油的效率。此外，KC-135还增添了通信能力，安装了滚装式超地平增强通信设备。
