17 апреля 1940 года USAAC заказали еще сорок два B-17C. Поскольку эти самолеты несколько отличались от первоначального варианта B-17C, то 6 сентября 1940 года армия дала им новое обозначение - B-17D. В действительности, B-17D только слегка отличался от B-17C и имел внутри компании Boeing тот же самый номер Model 299H. Внешне B-17D отличался от C только формой жалюзи на капотах двигателей для улучшения охлаждения. Отличить по фотографии модели С и D можно лишь по этим створкам жалюзи. Было улучшено протектирование топливных баков и установлено несколько дополнительных бронеплит для защиты экипажа. Внутренние изменения включили в себя пересмотр электрической системы и введение десятого члена экипажа. B-17D получил спаренные пулеметы в подфюзеляжной и надфюзеляжной установках, что довело полное защитное вооружение до одного 7,62 мм и шести 12,7 мм пулеметов.

Первый B-17D полетел 3 февраля 1941 года. Все заказанные B-17D были поставлены армии за период с февраля до апреля 1941 года. Самолеты получили серийные номера USAAC от 40-3059 до 40-3100. Большинство поставленных B-17D было направлено в части на Гавайях и Филиппинах. Партия B-17C, который не была направлена в Великобританию, была доработана до стандарта B-17D и повторно обозначена как B-17D.

Начиная с марта 1941 года армия начала красить B-17 в камуфляж тускло-оливкового (оттенок 41) (olive drab (41)) цвета на всех верхних поверхностях и нейтрально-серого (оттенок 43) (neutral grey (43)) цвета на всех нижних поверхностях с переходной размытой 100 мм полосой. Ко времени атаки на Перл-Харбор фактически все B-17C и D несли такую камуфляжную окраску. В октябре 1942 года уцелевшие к тому времени В-17D, были переобозначены как RB-17D и использовались во вспомогательных и учебных целях.

Единственный уцелевший B-17D № 40-3097 (известный как "Swoose") находится в настоящее время на хранении в ангаре Пола Гарбера (Paul Garber) в Silver Hill штат Мэриленд.

Модификация	В-17D
Размах крыла, м	31.62
Длина, м	20.69
Высота, м	4.70
Площадь крыла, м2	131.92
Масса, кг
пустого самолета	14045
нормальная взлетная	17835
максимальная взлетная	22521
Тип двигателя	4 ПД Wright GR-1820-65 (G-205A) Cyclone
Мощность, л.с.	4 х 1200
Максимальная скорость , км/ч	512
Крейсерская скорость , км/ч	365
Максимальная скороподъемность, м/мин	396
Практическая дальность, км	5472
Боевая дальность, км	3862
Практический потолок, м	11278
Экипаж	9
Вооружение:	шесть 12,7 мм пулеметов и один 7,62 мм пулемет. Крупнокалиберные пулеметы располагались попарно в надфюзеляжной и подфюзеляжной установках и по одному в двух окнах по бокам фюзеляжа в сужении в хвостовой части; 7,62 мм пулемет располагался в носовой части в любом из шести гнезд. Максимальная бомбовая нагрузка на внутренней подвеске состояла из восьми 272 кг бомб.