Konstrukcja odznaczała się skrzydłami delta o dużym skosie krawędzi natarcia 60° i cienkim profilu, w układzie bezogonowca (bez usterzenia poziomego). Trzyosobowa załoga zajmowała miejsca w kabinie w nosie kadłuba, w układzie jedno za drugim, w celu zminimalizowania oporów. W ostatecznej konfiguracji zastosowano 4 nowo opracowane silniki turboodrzutowe General Electric J79, w pojedynczych gondolach pod skrzydłami (początkowo rozważano podwójne gondole). Nowością było to, że pod kadłubem umieszczono zasobnik bojowy, w którym znajdował się ładunek bojowy i dodatkowe zbiorniki paliwa. Po zużyciu znajdującego się tam paliwa, samolot miał zrzucić zasobnik nad celem.
Pierwszy prototyp XB-58A (nr 55-660) został oblatany 11 listopada 1956 w bazie Carswell (koło portu lotniczego Dallas-Fort Worth w Teksasie). Próby przebiegały pomyślnie i 30 grudnia 1956 przekroczył on prędkość dźwięku. Z powodu obaw na etapie projektowania, że samolot nie osiągnie wystarczającego zasięgu lotu, początkowo zamówiono w 1955 jedynie 13 przedseryjnych egzemplarzy dla celów doświadczalnych (łącznie z dwoma prototypami).