Pierwszy C-133B oblatano 31 października 1959 roku. Pierwsze samoloty C-133A zostały dostarczone dla Military Air Transport Service (MATS) – amerykańskiego lotnictwa transportowego, w sierpniu 1957 roku w Dover Air Force Base koło Dover.
C-133 był na tyle udaną konstrukcją, że po serii prób, w sierpniu 1957 roku rozpoczęto eksploatację. Cargomaster ustanowił kilka rekordów wielkości przewożonego ładunku w klasie maszyn transportowych. W miarę użytkowania, na początku lat sześćdziesiątych XX wieku, zaczęły pojawiać się problemy techniczne. Podczas projektowania samolotów założono, że ich resurs wyniesie 10 000 godzin. Gdy resurs poszczególnych egzemplarzy zaczął zbliżać się do zakładanego maksymalnego nalotu, ich stan techniczny ulegał pogorszeniu oraz postępował proces zmęczenia materiału. Utracono 10 samolotów – 9 w wyniku katastrof oraz jeden w wyniku pożaru na ziemi podczas tankowania. Ostatecznie resurs wydłużono do 19 000 godzin nalotu.