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设计方案的优化
经多次优化，到1967年，AMSA的基本外形数据为：长41．02米，高8．99米，机翼完全后掠时翼展37．92米。机翼为上单翼布局，三角翼，翼尖圆滑过渡，前缘凸齿正好位于进气道后部，最大后掠角约为55°。平尾位于机翼偏下一点，当机翼处于最大后掠角75°时，机翼和平尾平面几乎构成了一个连续平面。机翼有一个小上反角，以增大其安定性。四台发动机位于机身后部，尖削形的二维进气道位于机身前部。矮小的单垂尾位于机身尾部，在机腹下部发动机短舱外侧有两个腹鳍。座舱后缘柔和过渡至机身中部。整机重量为158760千克。
随后，空军要求“短程攻击导弹”(SRAM)的内部挂载量从24枚增加到32枚，也就是说，要把发动机短舱从机身尾部移至飞机气动中心附近，但发动机排出的高温气体又会对机体产生不利影响，而且平尾位置也要重新布置。经上述调整后，AMSA1968方案就和后来的B-1有了一些相似。机身加长至45．6米，高度增加至16．61米，机翼最大后掠时的翼展增加至40．60米。发动机上下叠加，成对位于机身两侧的发动机短舱，进气道基本没改变。垂尾高度和面积增加较多，安装位置前移数英尺，取消了腹鳍。座舱鼓包更平滑地融入机身。机翼前缘凸齿的尺寸有所缩小，不再融入机身，而是相交于发动机短舱上部的整流包皮，机翼也后掠收入该整流包皮。机翼外形做了修改，机翼前缘平直地向翼尖延伸，并与后缘相交。
当B-1最终飞上天时，罗克韦尔公司又对它进行了一些修改。和AM-SA1968方案比起来，其机长增加到46．02米，机高减少到10．09米，机翼处于最小后掠时的翼展增加到42．73米。为提高低空乘坐品质，在座舱前部机头两侧增加了鸭式小翼。机身设计第一次采用了面积律，机翼前缘凸齿的前缘从发动机进气道引出，在机身外部形成一道凹曲线。机翼翼尖曲线更钝，机翼后掠角为15°～75°。
在AMSA1968方案中，一直存在着翼尖失速问题。为此，将接近正方形的机身剖面改为圆形，将机翼前缘凸齿加厚，并和圆形机身形成翼身融合构形。发动机也改成左右并列配置。机翼位置下移，在两组发动机短舱间形成一个凹槽，正好用来布置主起落架舱，而在AM-SA1968方案中，主起落架舱位于发动机短舱内。
全尺寸发展阶段
1970年6月4日，美国防务系统采办评审委员会最终决定，B-1项目进入全尺寸发展阶段，由罗克韦尔公司生产5架飞行试验样机和1架静力试验样机。
在历经9年研制后，由于经费限制，整个飞机的性能数据都做了进一步修改。经费削减以前，钛合金比例约为40％，经权衡，最终将其控制在21％。机载“短程攻击导弹”(SRAM)数量由32枚又减少到24枚。整机重量由159155千克增加到163296千克，满载起飞距离因此增加了152米，实施空中加油的最大高度减少了152米，推／阻比也降低了大约10％。调整后，机长减小至43．74米，机高增加至9．88米，最小后掠角时的翼展减少到41．66米。与此同时，机翼前缘凸齿和机身进一步融合，平尾安装位置上移，采用了一个复杂的固定式压缩进气道。
1971年7月，基本构形通过了设计评审，这标志着B-1的研制进入了一个新阶段。在此阶段，对整体弹射式救生座舱也进行了完善。在初始方案中，该座舱采用两台火箭发动机，一台提供基本推力，另一台提供机动推力。通过详细设计发现，只用一台发动机也可以达到要求，虽然低空性能会轻微降低，但整个费用却下降不少。
此时，美国发生了通货膨胀，当时处于研制阶段的许多项目——如C-5“银河”运输机的经费都开始大幅上涨。最后，系统工程办公室要求，B-1的研制经费必须压缩下来。
这一决定对整个项目的影响是可想而知的。原先定购的用于飞行试验的样机数量从5架减为3架，用于试验的发动机从40台减为27台，首飞时间也从1973年12月1日推迟至1974年5月1日，而原定于首飞之后6个月要做出的投产决定，又推迟了6个月。
1973年，首架B-1原型机开始制造。但即使在这个时候，对标准模块的升级改造研究仍在冒险实施。这些模块主要集中在航空电子设备方面。另外，在机体结构方面，也发展出一种先进的金属机翼结构形式——传载盒。测试和评估结果证实，它和B-1的机体尺寸及结构要求是一致的。通过采用上述先进材料及新概念，达到了减轻机体重量和节约经费的双重目的。
1973年7月，整个项目再次被美国空军新的“先飞后买原则”所冲击。这不仅减缓了项目进度，而且还使首飞到投产的时间从12个月延长至24个月。
在1974年10月的试验中发现，整体弹射式救生座舱在大约556千米／小时的速度下，会处于不稳定状态，因此决定为4名机组人员配备弹射座椅。当搭乘2名飞行教官时，他们在紧急情况时只能从机腹舱门离机。在前三架原型机的制造过程中实施改装已很困难，因此从第四架原型机开始，在后续飞机上都装了弹射座椅。但这样一来整机重量也随之上升到了179172千克。
开始试飞
1974年10月26日，在加利福尼亚州的帕尔姆德，机号74-0158的首架B-1原型机正式出厂，并于当年12月23日首飞。首飞历时78分钟，随后安全降落在爱德华兹空军基地，并立即投入后续飞行试验中。
整个项目已完成了20000多小时的风洞试验，此时主要集中进行发动机和进气道的大规模匹配试验。另外，对推算的升阻比、稳定性和在所有飞行条件下的控制问题都进行了检测。按照美国空军后来的评价，整个B-1的飞行试验工作，“可能是历史上最成功的飞行试验项目”。
按照计划，在开始的6个月内，进行了最少18架次试飞，其中包括低空M0．85的飞行试验。在试验中，使用了遥控装置，将飞行数据实时传输至地面，供分析和研究之用。由于低空飞行具有极大的风险性，而且此时只有一架原型机可使用，因此每次飞行航线都经过了谨慎选择，对整个飞行包线的探索和研究也是逐步进行的。1975年4月10日，首次在试验中完成M1．05的超音速飞行，而且在同一架次飞行试验中首次完成了空中加油。与此同时，第二架原型机——74-0159号进入了全面的静力／结构试验及检验性负载试验，试验于1975年7月全部完成。
1975年9月19日，在太平洋试验场，首架原型机在海面上空152米高度，以M0．75进行了持续飞行。随后，飞行速度和最低高度的数据在试验中不断被刷新，低空飞行速度从306千米／小时一直 到1020千米／小时(M0．83)。1975年11月11日，在爱德华兹空军基地主跑道上空进行的展示飞行中，其最低飞行高度已降到61米。
在第三架发展型飞机加入试验之前，所有飞行试验任务都由首架B-1原型机来承担，一直持续了大约15个月。1976年1月16日，74-0160号出厂，并于同年4月1日首飞成功。该机主要承担进攻性航空电子设备、地形跟随系统和武器投放试验。5月11日，74-0159号也出厂，并于6月14日首飞成功，随后也加入飞行试验队伍。
随着三架飞机同时投入试验，试飞进度大大加快。1976年9月，用于模拟战略空中指挥任务的“初始任务试验和发展”(IOTE)计划顺利完成。同年12月1日，美国空军决定，包括试验飞机在内，共计划采购244架B-1战略轰炸机。
被迫下马
在经历过一系列波折之后，B-1项目似乎开始迎来好运。1977年4月，B-1研制小组获得了年度“科利尔奖”。这个奖项专用于表彰那些在提高美国航空航天器的性能、效能或安全性方面做出杰出贡献的个人或集体。此时，第三架原型机刚于3月29日完成了第100架次飞行试验任务。试验中它进行了水上导航、地形跟随及模拟的“短程攻击导弹”(SRAM)投放试验。
但急风暴雨已快来临。1977年3月，美国国防部决定将B-1的总采购量削减至150架。此时，美国正在与苏联进行裁军谈判。按照卡特总统的设想，如果谈判能取得满意效果的话，他将取消B-1计划。接着，在1977年5月，又披露出B-1的采购单价可能高达1亿美元，高昂的采购价格也招致反对者更强烈的抗议。
祸不单行。1977年6月30日，卡特总统在听取了国防部长布朗的建议之后，宣布取消B-1的生产计划。布朗认为，携带现代巡航导弹的作战飞机可以更有效地确保美国战略力量的有效性。巡航导弹可以更有效地对付苏联未来的防御体系，而且造价更低。最终，美国政府确定将B-52作为巡航导弹载机。
在卡特总统宣布上述决定后，空军于1977年7月6日也宣布，将在90天内停止B-1的生产。幸运的是，现存的B-1将保留下来，作为研究和发展之用。第四架原型机当时已完成45％的制造工作，制造完成后，将用于所有航空电子设备的发展研究工作。首批生产型飞机，即第5、6、7号飞机，当时已开始制造，此时只能全部停产。整个项目的停止对于罗克韦尔公司而言确实是一个巨大打是B-1B研制过程中的一个重大里程碑。
当首架B-1B提前5个月出厂时，第一、三架B-1A已退出飞行试验，第二架原型机则已坠毁。另外，第四架B-1A正在对航空电子系统进行紧张的飞行试验，它的试验一开始集中在防御性电子系统方面，每周四飞行。另外，它也进行了武器投放的高空校准和初始空中校准试验。
为加快进攻性航空电子系统的试验进度，使用了一架BAC-111飞机作为雷达系统试验平台。这样，就可以将黑盒电子设备(机上雷达轰炸瞄准具、自动驾驶仪、或其它电子设备及其部件的俗称，因装于黑色盒内，故名)布置在机身内，便于监测有关试验数据。BAC-111飞机于1984年7月3日首飞，一开始主要参加对地测绘模式试验。
1985年8月，ALQ-161防御性电子系统基本定型。
1986年第一季度，在B-1A和首架生产型B-1B上，开始对防御性电子系统进行高强度试验。试验中，该系统在多种类型和强度的模拟威胁环境下，进行了对抗试验。试验中，还和空中预警机进行了联合试验，并在模拟的空中截击环境下，对尾部告警雷达进行了测试。最后，还在模拟的敌方多种战场威胁环境下，对其直接空中支援(DAS)能力进行了评估。
从1986年8月开始，开始进行挂载和发射ALCM的试验，整个试验持续了13个月。武器试验主要由9号机承担，随后28号机也加入。28号机于1986年10月31日交付，并承担了ALCM的部分试验和隐身巡航导弹的试验。
进入服役
1983年1月21日，里根总统宣布，第一个B-1B轰炸机中队——第96轰炸机联队第337轰炸机中队，将部署在德克萨斯州的戴斯基地。1985年6月B-1B进驻后，原驻该基地的B-52H则分阶段撤出。
为了在国际形势紧张时，尽可能将B-1B疏散至广阔区域内，美国至少有100个机场可供其部署，而且还有250个联邦航空协会所属的三类机场可供其紧急疏散之用。对于B-1B来说，更大的威胁来自潜射弹道导弹。它们弹道轨迹低，飞行时间短，留给B-1B的反应时间也较短。但依靠其快速反应能力，B-1B在接到袭击警报4分钟后就可紧急升空，并飞至基地数千米之外，完全有可能避开敌方的核袭击。
虽然B-1B的主要任务是投放核武器，但它从没有真正执行过这一任务。进入服役之后，随着时代的变化，美军曾先后考虑将其用于海上侦察及布雷、反舰作战、战场遮断、空中封锁、战场支援等。
在1998年底的“沙漠之狐”行动中，B-1B首次参战，并在此后的科索沃战争、“持久自由行动”及“伊拉克自由行动”中频频出动，先后投射了数百枚精确制导炸弹及巡航导弹，像“枪骑兵”一样活跃在常规作战第一线。