RC-135采用波音707机体，主承包商为美国著名电子设备厂商雷声公司。巨大的头部和机身整流罩内装有大量的电子天线，配合机内众多的电子侦察设备，RC-135能够进行对广泛频段无线电信号的识别和监听。RC-135常常在敌国的国界之外不远处飞行，不侵犯敌方领空却又能够接受到敌国从预警雷达到移动电话的各种电磁信号。
RC-135由波音707机体改装而成，长46.6米，翼展44.4米，机高12.95米。装四台普拉特·惠特尼公司的TF33-P-9涡扇发动机，单台推力7280千克，最大航程可达1.2万千米。飞行高度通常在15千米以上，巡航速度860千米/小时，续航时间可超过12小时。借助空中加油巡航时间最长可达20小时。
RC-135有多种改进型，包括A、S、U、V、W、X等型，最新型号为RC-135X，作用各不相同。RC-135S用于侦察弹道导弹，可使用高精度光学探测装置探测到再入弹头。其机载电子侦察设备可以收集、处理和分析导弹制导的电波频率及相关信息，因此S型是美国战区导弹防御计划的重要组成部分。外形上看，S型的主要特点是后机身有几个水滴型天线罩。S型主要在太平洋西侧抵近俄罗斯、中国布置。
RC-135U型是早期的RC-135C电子侦察机的改型。侧面的侧视雷达加大，维持侧面的雷达罩也加大。另外该雷达罩上方架设了偶极天线，易于辨认。
RC-135V和RC-135W型可实时侦测空中各种电磁波信息，对辐射源目标进行定位、分析、记录和信息处理。机载雷达技术侦察系统可以收集预警、制导和引导雷达的频率等技术参数，并对其进行定位。其测量范围涵盖目前世界上的各种雷达，测量精度高，脉冲宽度可精确到正负0.1微米，方位可精确到正负1度。机上通信信号侦察系统可侦察到音频、话频、电传、电报等信号。在1万米高度巡航时可侦测到600至800千米外的电台。侦测到的电子信号自动录音，并通过压缩通信实时传给地面站或返回基地进行处理。对特别重要的信息情报，可直接转给地面站指挥官。机上还有红外探测器和前视雷达，探测距离达238至370千米，可在360千米内分辨出3.7米长的物体。V型是由C型和U型改进而来，机身下增加了多个情报收集片状天线；右翼设置了新的通信天线；机身上设置特高频/甚高频天线。W型由老式的M型改进而来，近似V型，加装了俗称“猪鼻”的大型机头雷达罩，机头设有更多的天线，机腹的天线比V型多。
最新的RC-135X型装备电子光学探测系统，包括可视红外侦察传感器、激光距离测量系统和任务检验软件。这套系统可与美国空军作战飞机、地面指挥中心，甚至卫星直接联系，能够把实时情报传给上述平台的指挥人员。
各型的RC-135均装有高频、甚高频和极高频无线电通讯，以及由雷达和GPS/INS组成的先进导航系统。RC-135在侦察时，最大的优势在于无须进入敌国领空，大大增强了其任务的自由度和灵活性。由于在国际空域飞行，无需考虑自卫，RC-135没有配备武器系统。目前，美国空军共有17架RC-135战略侦察机，全部配备给一线现役部队。
RC-135的身影近年来频频出现在战场上、热点地区和例行性侦察行动中：在入侵巴拿马的“正义事业中，RC-135首次参加实战；在海湾战争“沙漠盾牌／沙漠风暴行动中，美军共派出4架RC-135侦察机对伊拉克进行不间断的侦察监视，平均每天有2架在空中飞行，每架飞机一次侦察时间为12小时；在科索沃战争中，RC-135成了美国空军所有投入实战的最有效的侦察工具。参战的RC-135每次都是从希腊的松达湾起飞，然后在距科索沃有相当距离的亚得里亚海上空巡弋，以对南联盟进行不间断的信号侦察。据美国空军事后透露，这架RC-135飞机装备了一套特别的传感器集阵，可以监视南联盟军方任何的雷达信号活动，或者截获南联盟军方的无线电通讯，一旦获得南联盟军队活动的情况，RC-135就立即把情报传递给北约的战机，由其对目标实施连续的空中打击。热点地区同样随时可见RC-135的鬼影：在撤离伊拉克库尔德人的“提供安慰”行动中，在执行所谓伊拉克南部禁飞区飞行南部观察和“禁飞行动”里，在“敏捷勇士”、“提供许诺”、“坚持民主”等军事行动中，RC-135总要插上一腿。它们在热点地区搜集的情报分别被送给战区司令官、美国国防部、美国国家指挥当局，所搜集到的数据资料则交由美国空中作战司令部、美国空中情报局和美国国家安全局处理、分析和储存。在平时的侦察行动中，以亚太地区为例，美国空军的RC-135通常是部署在日本冲绳岛的美军基地，从该基地起飞后开始沿侦察目标国的沿海进行侦察，按惯例是从冲绳起飞后可先向北飞行，快到目标国领海领空时开始转弯向南飞行，沿着目标国东南沿海一带的海空边界平行飞行，一直到最南边，然后再调头往北飞行，一次起飞大约可以循环侦察飞行4次，最后返回冲绳基地。
另外，俄罗斯远东地区和中国也是RC-135的重点监视对象。亚太区的RC-135通常是部署在日本冲绳岛美军基地，起飞后沿侦察目标国的沿海进行侦察。惯例是从冲绳起飞后可先向北飞行，快到目标国领海领空时开始转弯向南飞行，沿着目标国东南沿海一带的海空边界平行飞行，一直到最南边。然后再调头往北飞行，一次任务中大约如此循环飞行4次，最后返回冲绳基地。
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