В основном для испытаний переоборудовались ранние серийные КС-135А (обозначение NKC-135A, где «N» означает, что самолёт предназначен для проведения испытаний) или списанные военно-транспортные С-135А (обозначение NC-135A).
После того, как часть самолётов была ремоторизирована с заменой двигателей J57 на TF33, их обозначили NKC-135E. Кроме того, три С-135Е, оснащённые двигателями TF33, использовались для испытаний, но не имели в названии литеры «N».
Большая часть самолётов решала задачи в составе 4950-го испытательного авиакрыла, дислоцированного на авиабазе Райт-Паттерсон. Именно отсюда самолёты NC/NKC-135 выполняли вылеты для отработки задач в рамках многочисленных исследовательских программ как в интересах военных, так и по заказам гражданских агентств и организаций.
Особенно высокая нагрузка легла на них во время программы «Звёздных войн». Самолёты привлекались к испытаниям различных средств обнаружения воздушного базирования, высокоэнергетических лазеров, систем слежения и пр.
Многие из систем, принятых затем в эксплуатацию, были испытаны именно на NKC/NKC-135. Один самолёт NKC-135A был оборудован в носовой части длинной штангой, которая применялась для дозаправки во время испытаний или же использовалась для распыления воды в полёте с целью имитации условий обледенения, и винглетами, которые также проходили испытания на борту данной машины.
В начале 1990-х годов самолёты были передислоцированы на территорию Лётно-испытательного центра на авиабазе Эдвардс, а 4950-е и 6510-е испытательные авиакрылья были объединены в одно – 412-е испытательное авиакрыло. В настоящее время парк этих самолётов существенно сократился – были списаны все машины с двигателями J57, а часть других была переоборудована под иные задачи. Один NKC-135A, 55-3119 был временно приписан к 55-му авиакрылу в качестве штабного (перевозил высокопоставленных военных).
По состоянию на 2013 год, NKC-135E остаются в эксплуатации на авиабазе Эдвардс и обеспечивают, в частности, программы F-22 и F-35. Парк машин пополнился одним NKC-135B (переоборудован из EC-135C Looking Glass), приписанным к 2-му отряду 412-го испытательного авиакрыла (авиабаза Киртленд) и отличающимся увеличенным носовым обтекателем (самолёт используется Исследовательской лабораторией ВВС).
Один WC-135B был передан компании «Raytheon» и под обозначением NC-135W применяется для испытаний оборудования самолётов RC-135 River Joint.
