第一批服役的B-57A型在1953年投入服役，虽未能赶上参加朝鲜战争，但其高达5万英尺（1.5万米）的升限使得其非常适合作为高空侦察机使用。美国空军遂决定制造75架单座型侦察型B-57飞机，其中头8架直接取自生产线上未完工的B-57A。1953年7月20日第一架RB-57A高空侦察机正式出厂。RB-57A相比原版B-57A主要的设计变动为机腹炸弹舱改为设置照相侦察舱，可安装一具36英寸镜头之KC-1垂直相机和一具KA-38型广角航空相机。
第一架RB-57A型侦察机于1953年10月首飞，次年7月加入美国空军服役。由于设计时间仓促，RB-57A在服役早期出现了许多问题：莱特公司的J-65-W-5型发动机交货延迟且动力稍显不足，影响了侦察机部队的战备水平和飞机发挥最大升限的潜力；发动机滑油系统常常出现泄露，泄露的滑油在渗入飞机座舱增压系统后，在座舱内形成了浓重的烟雾，使得乘员苦不堪言。这些问题在1955年投产的10架RB-51A-1批次飞机上得到了解决：RB-57A-1取消了飞行员身后的领航员座位和炸弹舱设备，并拆除了大部分导航仪器，虽减重3500磅（约1.5吨）但失去了全天候能力，因此只能执行昼间侦察任务。新换装的J-65-W-7发动机解决了滑油渗漏的问题，并将单台推力提高到7000磅（约3.2吨）。减轻的重量和新发动机使得RB-57A-1的最大升限增加了5000英尺，至5.5万英尺（约1.65万米），使得飞行员必须穿部分增压服才能执勤。原RB-57A显眼的“堪培拉”式透明机头观察窗也被取消，代之以一个玻璃纤维制不透明机头罩。1957年9月提供给第4中队的两架RB-57即属于A-1批次飞机。这两架飞机的编号分别是5641（美军序列号52-1427）和5642（美军序列号52-1431）。
美国空军RB-57A组图，可见此时美军RB-57A使用的是无涂装金属原色外表
虽然RB-57A的服役使得美军拥有了一种堪用的高空侦察机，但1952年春夏陆续在苏联空军中列装的米格-17型战斗机使得美空军意识到，RB-57A-1约1.65万米的最大升限并不保险，于是开始秘密筹划一种能飞到2万米高度级别的高空侦察机，即RB-57D型高空战略侦察机。1953年3月27日，即RB-57A尚未正式下线之前，马丁公司就秘密向美国空军提出了代号为“白头海雕”（Bald Eagle）的设计方案。1955年11月3日，第一架RB-57D原型机成功首飞，并于1956年4月进入美国空军战略侦察部队服役，总计有20架RB-57D先后被制造出来。
相比RB-57A，RB-57D在“堪培拉”的基础上做出了大量修改，可谓是一架全新的飞机。该机的主要技术特点如下：
换装两具普拉特·惠特尼公司制造的J-57-P-9型发动机。该型发动机的推力增加至约1万磅（4.5吨）。得益于发动机推力的提升，RB-57D最大速度增至930千米/每小时，巡航速度为670千米/每小时。该机的爬升性能也有了大幅改善，可以在起飞15分钟内爬升到5万英尺高度。虽然使用了推力更大的J-57发动机且机内燃料携带量减少了200加仑（约760升），但因为机身重量大幅减轻和升力大幅增加的因素，RB-57D续航时间反而从RB-57A的四个小时提高到七个小时，总航程约为6800公里。
美军使用黑色涂装的RB-57A侦察机组图。第4中队所使用的5641与5642号机同样是使用式样相同的全黑色涂装。
机身与机翼大幅延长。为了提高机翼升力以适应高空飞行，RB-57D将RB-57A原有的64英尺（约19米）翼展延长了42英尺（13米），至106英尺（约为32米）。为了容纳更多的设备，RB-57D机身还特意加长了71厘米。
机身材料与结构大幅度轻量化。RB-57D取消了RB-57A型机身内油箱，全部改由机翼内蜂窝状结构油箱供油。为了减去机身结构上铆钉的重量，RB-57D机翼采用一种特种胶水粘接，并进行充分的打磨以降低空气阻力。由于粘接机翼的特种胶水特性所限，一点点泄露的飞机液压油都可能造成胶水失去粘性。最极端的减重手段还是RB-57D的蒙皮厚度被减到0.01英寸厚，甚至一件不小心坠落到机翼上的小型工具都能造成结构损伤！在种种极端减重措施的帮助下，RB-57D的最大升限达到了7万英尺（约2.13万米），能在6.5万英尺（约2万米）高度进行长时间巡航，远超最新型苏制米格-19型截击机约1.8万米的最高升限！以往RB-57A最大升限较低，飞行员只用配备部分增压服即可，但由于RB-57D飞行高度更高，飞行员必须在类似航天服的全增压飞行服保护下才能生存。
服役于美国空军的RB-57D侦察机，编号为53-3979，该机正携带核辐射探测器执行核试验取样任务。注意其特殊的下黑上白的高空侦察迷彩涂装。
机内照相侦察设备进一步强化。RB-57D机身内照相侦察装备增加了一倍，可以携带KC-1和KA-38型相机各2部。机内携带的胶卷容量足以用于拍摄长4000公里，宽70公里内范围的目标。
前面提到，马丁公司总计制造了20架RB-57D侦察机。在这20架飞机中，前6架为Model 294构型，美军编号为53-3977至53-3982，该批次为专业单座高空照相侦察机。稍后生产的Model 744构型高空照相侦察机总计有7架，编号为53-3970至53-3976。该批次的主要变动是增加了空中加油能力。在单座型RB-57D的基础上，马丁公司衍生发展出了C构型雷达成像侦察机。C构型正式编号为RB-57D-1，只制造了1架，即53-3963号。该机主要特征是取消了全部照相设备，在机头增设1具AN/APN-107雷达，机腹侦察设备舱中安装一部用于地形测绘的AN/APQ-56侧视航空雷达。最后投产的6架RB-57D为 Model 796构型双座雷达侦察机，正式编号是RB-57D-2。RB-57D-2美军编号为53-3964至53-3969。该批次飞机主要技术特点是增加了一个电子战军官座位，并将机腹侧视雷达更新为AN/APA-69A型。美军于1958年11月间陆续向第4中队补充了两架RB-57D型机。这两架飞机都是属于最早生产Model 294构型的照相侦察机，编号分别是5643（美军编号53-3978）和5644（美军编号53-3981）。
5644号RB-57D彩绘与实照，该机同样采用了下部漆黑，上部白色的高空侦察迷彩涂装。
RB-57D与RB-57A（后）对比图，可见前者的翼展之大！
