经历了二战烽火的美国陆军航空兵于1947年终于脱离陆军成为独立的美国空军，并成立了专门负责远程轰炸机运作的战略空军司令部。这时，战略空军司令部对喷气式中程轰炸机有强烈需求，要求可以快速投掷自由落体核弹，在1950年代中期服役，因此美国空军迅速展开招标，称为GEBO I方案，GEBO是通用轰炸机研究方案的缩写，在GEBO I中，空军明确了了轰炸机的关键性能参数，即最大起飞重量68吨左右。因为康维尔公司研制了一系列的三角翼截击机（如XF-92）而使其在此方面有丰富的经验，因而格外受空军的器重。
1950年，空军更新了技术指标更详细的GEBO II轰炸机方案，这个方案提出的技术要求是，载重5吨炸弹，最大作战半径4000公里，升限10000米以上，起飞距离不得超过1800米，这种快速轰炸机可以作为第一批突破苏联防空系统的核打击力量，为更重型的亚音速B-52轰炸机扫清障碍。康维尔提出了一种寄生方案来缩短研制时间并节约研制成本，代号XB-58，以当时世界上最大的洲际轰炸机B-36为母机，在其机腹下挂载一种小型的三角翼轰炸机，子机有两名成员，装备4台涡喷发动机，机身全部采用复合材料制造，子机空重约8000公斤，发射重量45000公斤，最大升限15000米，最大飞行速度1.6马赫，机身不装备任何自卫武器。该机飞行速度快，升限高，作战时应该比较难拦截，但是B-36和子机组装在一起后太过笨重，因此空军否决了此方案。关于B-36请看：二战与冷战之交的超重型洲际轰炸机，康维尔B-36「和平缔造者」
于是康维尔公司继续开发自己熟悉的大三角翼方案，1954年8月，XB-58最终的构形选定，采用机翼前缘60度后掠角和机翼后缘10度前掠角大三角翼无尾翼布局，后掠梯形垂尾。机翼为蜂窝结构，蜂窝结构采用了铝合金、玻璃纤维以及粘胶剂制成，这种结构的重量比铆接结构轻了30%，机翼蒙皮由铝合金材料制成，机身蒙皮采用复合材料，主要是石墨环氧树脂，为了增强安全性，机上的铆钉全部采用钛金属制造。
4台通用电气公司开发的J79涡喷发动机被安装在机翼下方单独的发动机吊舱内，全部燃油装载在机身内部和机腹部携带的荚舱内，发动机进气道为复激波进气道，带有调整锥，进气道前端能够根据发动机工作状况自动控制吊舱进气道的大小，以实现对空气流量的控制。1956年11月，XB-58首次试飞成功，其速度达到0.9马赫，次年6月携带机腹荚舱飞行突破了两倍音速，急速为2.3马赫。XB-58的升限超过63000英尺。1960年，生产型B-58正式服役，在当时是世界上最先进的中程超音速轰炸机，早于苏联的图-22超音速轰炸机。当时苏联只有米格21战斗机可以拦截B-58。
B-58的挡风玻璃分为6块，飞行员视野十分开阔，乘员为三人：飞行员、领航员和防御系统操作员。康维尔公司为B-58安装了最新设计的「胶囊」式弹射座椅。因为如果飞行员在飞机以超音速突防时跳伞，会被迎面而来像钢板一样的气流「拍」成肉饼，而封闭的气囊解决了这个问题。整个座舱包括独立的供氧和压力维持系统，还安装了吸收撞击地面压力的减震器和救生品。紧急情况下，飞行员拉下手柄，位于座椅上方的气囊壁就会向下伸展，把乘员封闭起来，同时各个独立系统启动，整个封闭过程在1/4秒内完成。此时再按下弹射钮，气囊整体弹出飞机，自动打开降落伞，如果在水面上降落，气囊还会自动充气。
B-58在机腹部携带了独特的流线型荚舱，采用两截副油箱焊接而成，内装有爆炸当量可调的自由落体式核弹，荚舱全长22.86米，直径最大处为1.5米，空重1134公斤，在满载燃油和一枚标准的W39核弹时，全重达到11000公斤，整个荚舱由3枚螺栓和机体相连。荚舱内分多层，上层为炸弹舱，下层为燃料舱，先消耗荚舱内的燃料，再消耗机身内的燃料，燃料舱可以抛弃，露出炸弹舱执行核打击任务。核弹在投放后由无线电气压引信引爆，投放前任务指挥官将会根据任务命令设定核弹的爆炸高度，随即机上的大气数据计算机立即将高度转换成目标区的气压数据，传送到核弹上的无线电压力引信引爆核弹。B-58还装有独特的核弹爆炸效果评估系统，当核弹爆炸时，飞机上的光敏设备会纪录爆炸产生的瞬时光强度，然后根据核弹最后的坐标位置解算出爆炸的强度、杀伤力等数据。
1956年4月，也就是XB-58首次试飞的七个月前，有人提出了RB-58A侦察型变种。在荚舱内安装由休斯公司研制的AN/APQ-69侧视机载雷达。其巨大天线长达50英尺，它可以使用射频发射模式扫描飞机侧面宽广的地形，绘制详细的地面图像，在当时是极为先进的雷达科技。
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