這種飛機的飛行高度極限超過30000英尺，由TWA（環球航空公司）的飛行員“湯米”湯姆林森創造。在他的推薦之下，波音製造了一種巡航高度14000英尺的客運飛機。
波音307於1938年，12月31日首飛，TWA於1940年7月8日將其投入到橫穿美國的航線中，比DC3飛機的飛行時間縮短2個小時到13小時40分。
3架飛機（編號S-307）用於泛美航空公司；5架（編號SA-307B)用於環球航空公司；第9架（編號SB-307B)服務於霍華得.休斯。一架波音307（NX 19901)於1939年3月18日的測試飛行中墜毀。在1937年訂購的時候每架飛機售價315，000美元。
在二戰中，平流層客機被徵用（C-75s），主要使用在南美航線和跨大西洋航線上。1951年，TWA將原來的四部900馬力（671kw）的懷特GR1820星型活塞發動機更換成懷特1200馬力發動機。機翼更換成B17G得機翼。之後賣給了法國的Aigle Azur用於印度支那航線。在越南戰爭中被繳獲，並被一些諸如寮國航空的航空公司使用至20世紀70年代。
目前倖存的一架飛機保存於國家航空航天博物館史密森學會。在經過波音退休志願者6年的修復之後，在2001年6月23日離開了機庫。不幸的是，這架飛機差點損失掉了，在測試飛行中，由於燃油用完而迫降在西雅圖市區西部的Elliot海岸。很幸運，飛機的損傷不是很嚴重並被再次修復了。現在這架飛機在位於華盛頓國際機場的Steven F. Udvar-Hazy 中心進行飛行表演。
2003年8月5日，世界上僅存的一架波音S-307高空客機完成最後一次航運，平穩降落在美國維吉尼亞的杜勒斯國際機場。隨後，它將被運往史密森航空航天博物館成為那裡一件新的展品。
