Jednak już w październiku 1944 pierwsze B-29 wchodzące w skład 20. Armii Powietrznej wylądowały na świeżo zdobytych wyspach Guam, Tinian i Saipan. 28 października 14 z tych maszyn dokonało nalotu na Truk, a 24 listopada – na Tokio. thumb|„Enola Gay” ląduje po ataku atomowym na Hiroszimę Najsłynniejszą akcją tych maszyn było zrzucenie podczas nalotu dywanowego bomb zapalających na Tokio nocą z 9 na 10 marca 1945 roku. Bombardowanie wywołało wtedy ogromne pożary i burzę ogniową, zabijając więcej ludzi niż którykolwiek inny atak powietrzny w historii. Piloci amerykańscy opowiadali, że w czasie tego ataku nad Tokio utworzyły się kominy gorącego powietrza, które podrzucały i wywracały 50-tonowe samoloty B-29.
Innymi słynnymi nalotami były zrzucenia bomb atomowych na Hiroszimę (B-29 o nazwie „Enola Gay”) i Nagasaki (B-29 „Bockscar”).
W wersji rozpoznawczej (B-29A-70-BN) były używane podczas wojny w Korei w latach 1950–1953.
Zastosowanie pokojowe thumb|Bell X-1 podwieszony pod B-29 14 października 1947 B-29 Superfortress wyniósł na wysokość testową eksperymentalny samolot Bell X-1, który po raz pierwszy w historii przekroczył barierę dźwięku w sposób kontrolowany w locie poziomym.