1956年7月，第一架B-58A开始在康维尔公司的厂房内组装，此时该机的绰号“盗贼”开始流传，不过“盗贼”的绰号早在1952年就已经开始在空军内部和康维尔公司流传，以至于后来美国空军将其变成了该机的官方代号。康维尔公司还规定，在和平时期，B-58的每月飞行时间不能超过40小时，而战时则可以达到105小时。首架正在组装的YB/RB-58编号为55-0660,该机一直到8月末才下线，同年9月4日在拖车的牵引下缓缓的驾出了康维尔厂房的大门，此时该机还有很多设备没有装，机内装的大多都是实验器材。望着这架外型前卫的轰炸机，许多在场的人不禁感慨到：末代轰炸机诞生了。10月1日，这架B-58进行了首次发动机点火试验，28天后即29号，第一次地面滑行试验顺利进行。

1956年11月11日，激动人心的时刻到来了，在得克萨斯州的卡斯维尔空军基地外场人声鼎沸，基地跑道上，这架编号为55-0660的B-58拖着长长的尾焰，在上千双眼睛的注视之下，轰鸣着离开跑道飞上了蓝天，随即人们涌进机场，欢呼声犹如雷鸣。请记住这三位功臣飞行员，飞行员B.A.艾里克森，系统专家约翰·D·麦克臣，试飞工程师查里斯·P·哈里森。为了安全起见，该机并没有携带吊舱。这次试飞很轻松就达到了0.9马赫，而在12月30的试飞中，该机的最大飞行速度达到了1.17马赫，成功实现超音速。随后就开始了一类试飞，试飞总时间持续了将近3000飞行小时。1957年2月16日，编号为55-0661的YB-58首次携带MB-1吊舱飞行。6月29日，第一架原型机携带空载的MB-1进行了超越2马赫的试飞，该机在13213米的高度，最大飞行速度达到了2.03马赫。接着，B-58家族又一次次的刷新空投吊舱的速度和高度纪录，1957年12月20日，一架YB-58从18000米高空，在2.0马赫的飞行速度下成功的空投了一具吊舱，达到了设计要求。

虽然B-58一次次的刷新世界纪录，但问题也如火山爆发般涌现，首先是油箱内的燃油在飞机加速或者减速时晃动、飞溅造成飞机空中飞行的不稳定；加力燃烧室工作不稳定造成该机在超音速飞行情况下的偏航；发动机震动造成飞机疲劳裂纹和飞行员在飞行过程中极易疲劳…，所有这些都影响了后续的试飞。虽然新型飞机在试飞中出现问题是正常的，但B-58的问题似乎无穷无尽，使得该机“有幸”成为人类航空史上最令人失望的飞机。为了测试机身的疲劳裂纹，1957年3月，一架没有加装发动机的B-58机身由一架B-36F吊装在机腹送至怀特-帕特森空军基地的怀特发展中心结构试验实验室，康维尔公司的工程师绞尽脑汁才想出这个办法，为了能够挂载B-58，B-36F不得不牺牲了其内侧的螺旋桨。前苏联的克格勃还向总部发回报告称，美国正在进行一种超级轰炸机方案，将由B-36空中发射。除了克格勃被骗外，一些在机场拍摄的照片被公布后，许多美军的基层官员也以为是空军用B-36发射B-58的新项目。1957年后期，第一台YJ79-GE-5发动机被送至康维尔公司，从1959年3月开始，二类试飞开试，两架YB-58A飞别在加州的爱德华兹空军基地和康维尔的福特沃斯试验场进行了256架次，1216飞行小时的试验，J79-GE-5发动机的试验也在二类试飞中进行。从1958年至1960年的3年时间里，康维尔共损失了7架B-58。

在第二阶段试飞结束后，空军于1959年6月11日宣布，美国空军将购买290架B-58，包括其中的30架为生产型和试验型，美国空军将为此组建5个B-58轰炸机联队，根据时间估计，1960年11月第一个实战中队将进入实战部署。

第一架正式生产型B-58(生产编号59-2428，第31架B-58)于1959年春离开康维尔的生产线，不过B-58在试飞时还有很多的问题没有解决，同年7月14日，资金问题迫使战略空军只好削减B-58的定购数量至148架，此时康维尔已经开工全力组装B-58的正式生产型，每月产量为6架。而五角大楼对B-58的进展十分的不满，因为B-58的许多性能还没有达到原先的设计要求，而且维护和发动机问题还没有得到很好的解决。按照乐观的估算，美军在1961财年将为订购的118架B-58支付超过30亿美元的金额，也就是说最乐观的估计，每架B-58的价格已经超过和其机身等重的黄金的价值了。1959年和1960年的事故率相当的高，以至于战略空军司令部拒绝接受该机，而且虽然B-58早

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