在1940年代末波音就着手研究喷射飞机的可行性，然而当时没有一家航空公司对成本高昂的喷射客机有信心。于是波音总裁比尔·阿伦着手研究把KC-97加油机进化为喷射加油机的可行性，以解决KC-97低速度和飞行高度的限制。后来他想到做一个军民合两用的设计，准备先把飞机卖飞美国空军，取得资金后再把设备转移在客机的制造上，以减少生产成本和风险。然而阿伦的建议受到反对，原因是波音从来没有成功地销售民航客机，市场一直被道格拉斯公司垄断。即使如此，他还是决定制造原型机。不久，在1952年全球首架喷射客机哈维兰彗星型投入服务后，全球掀起喷射机热潮。
6月美国空军正公开招标，寻求加油机的设计提案，道格拉斯公司和洛克希德公司亦都有参与竞标，而波音367-80则是波音的王牌，且已大致完成。最终空军决定采用波音的加油机提案，命名为KC-135。波音公司希望以新的飞机名称来区别以往的不同，鉴于400-、500-和600-已用在导弹上，于是决定接下来的喷射机采用700-名称系列。
1955年道格拉斯公司决定研发DC-8，进军喷射客机市场。DC-8的机身比波音宽3英吋，航程亦比波音707远，能执行横大西洋航线，因此联合航空最先宣布购买DC-8而抛弃波音707。当时美国航空总裁建议波音把机舱宽度扩展至与DC-8一样，就会购买波音的飞机。波音公司一口答应把机舱宽度扩大4英吋，比DC-8还要多出1英寸。于是美国航空决定购买30架波音707。
波音367-80原型机在经过1,691次飞行共2,350小时后，于1969年被贮存。1972年5月26日，波音把飞机捐赠给美国航空航天博物馆，直至1990年被波音收回。波音367-80最后一次飞行是在2003年8月27日，飞往华盛顿杜勒斯国际机场。一直在史密森尼学会国家航空和太空博物馆的史蒂文·乌德沃尔哈齐中心作出展示。
