愛称は「スーパーフォートレス」。日本語では「超要塞」を意味する。戦時中の文献ではスーパーフォートレスという愛称を「超空の要塞（ちょうくうのようさい）」と説明しているものもある。また、当時のニュースでは「超空の要塞（ちょうそらのようさい）」とも読んでいる。指揮官だったカーチス・ルメイが著した『超・空の要塞:B‐29』の日本語翻訳版では「ちょう・そら」と訳されている。アメリカ軍が対日戦で付けた愛称には、トウジョウズナイトメア（44-70124）、タナカターマイト（42-24749）がある。他にもチョットマッテ（44-86400、機長ウォルター・リーチ大尉）、カグツチ（42-24737）、トウキョウローズ（42-93852）、ヨコハマヨーヨー（42-24621）の愛称がある。B-29は、中型爆撃機から発展したB-17と異なり、最初から長距離戦略爆撃を想定した設計である。B-29による日本本土空襲は、日本の継戦能力を喪失させる大きな要因となった。高空を飛ぶ場合、従来の飛行機では機内の気圧・気温が低下するため、対策として乗員・乗客に酸素マスクの装備、防寒着の着用が必要だが、B-29は高度9,000ｍで高度2,400ｍ相当の気圧に維持することができた。これは毎分11.25㎏の加圧能力を持つ与圧装置を設置したことによるが、この技術はすでにボーイング社が製造していた、世界最初の気圧室を備えた商業旅客機ボーイング307の技術が応用された。ただ旅客機と異なり爆撃機は上空で大きな爆弾槽を開閉しないといけないという問題があったので、B-29では機体前部の操縦室と機体後部の機関砲座を与圧室として気圧を保ち、その両室を直径85㎝の長い管でつなぐことで解決した。与圧室をそれぞれ独立させて密閉することにより、機体中部に設置された大きな爆弾槽の扉を開閉しても、両室の気圧は維持された。搭乗員らは与圧室を移動する際は直径85㎝の管をはって通ることとなった。また与圧室が被弾したときのため、酸素ボンベも準備された。冷却機とヒーターを活用した機内冷暖房も完備されており、搭乗員らは通常の飛行服のみで搭乗していた。撃墜されたB-29乗員の遺体を日本側が回収した際、上半身Tシャツしか着ていない者もいるほど空調は完備されていた。それを知らない日本側は搭乗員に防寒着も支給できないとし、アメリカもまた困窮していると宣伝を行った。機体は軽量ながら強靭な装甲版に覆われて防御力も高かった。日本軍の戦闘機や対空砲火で無数の弾痕や高射砲の破片痕が開き、中にはそれが機体上部から下部に達するような大穴であったり、尾翼の大半が破壊されたりしても、マリアナ諸島の飛行場まで自力で帰還し、修理を終えて再出撃することもできた。B-29はライト社が開発した強力な新型エンジンライト R-3350を4発搭載していた。型式は複列星型のＴ8気筒で、エンジンには2基のゼネラル・エレクトリック社製B-11排気タービンが装着されており、ミネアポリス・ハネウェル・レギュレータ社製の電子装置で自動制御され、高度10,000ｍまで巡航時で最大2,000馬力の出力を維持できた。（離陸時は2,200馬力）しかし、先進的な構造により、エンジンは過熱しやすくよくエンジン火災を起こすことになった。特に軽量化のために多用されたマグネシウム合金の可燃性が強いため、重篤な火災となることも多かった。試作第一号機のXB-29-BOもエンジン火災により墜落している。当初はその信頼性の低さから、ライト（Wright）エンジンをロング（Wrong-誤りだらけの意味）エンジンと呼ばれたり、火炎放射器などと揶揄されたが、のちに、シリンダー・バッフルとカウル・フラップの設計変更により過熱をかなり逓減させている。B-29の運用当初はR-3350の交換時期を飛行時間にして200時間から250時間に設定していた。これは平均15回の出撃に相当したが、エンジンの冷却力向上により750時間まで延長することができた。エンジン交換は熟練した整備兵により5時間30分で完了し、取り外したエンジンは本国に送り返されて再整備された。B-29は本国からインドやマリアナ諸島の前線基地に飛行してきたが、その際に爆弾槽に1個の予備エンジンを搭載していた。耐久時間は延長されたが、エンジン発火の問題は最終的な解決までには至らず、第869爆撃団のH.W.ダグラスによれば「エンジンの火災は、大問題だった。マグネシュウム合金部分が燃え出すと、もう手が付けられなかった。ある夜、私の機はプラットで訓練中に、衝突でエンジン火災を起こした。消防車が到着して、ありったけの消火液をかけたが、炎の勢いはちっとも弱まらなかった。」と回想している。B-29クルーの間ではエンジンが発火した場合「30秒以内には、火が消えるか、私が消える！」という言い伝えがあったという。戦争が終わり、基地のあるサイパン島からB-29が本土に向けて帰還するときも、1機が離陸直後にエンジン火災で墜落したほどであった。試作1号機の墜落から1944年9月までの試験飛行で合計19回のエンジン故障による事故が発生するなど、信頼性が抜群とまでは言えないR-3350であったが、B-17と比較すると戦闘重量で2倍の約44,100㎏の巨体を、B-17より30％増の速度で飛行させる出力を発揮することができ、最高速度で570 km/h、巡航速度で467 km/hという戦闘機並みの高速で飛行させることが可能となった。機動性も極めて高く、B-29を試験飛行から日本への爆撃任務まで操縦したパイロットチャールズ.B.ホークスによれば、水平での加速や急降下速度でも戦闘機に匹敵したといい、アクロバット飛行も可能であったという。試作機で、試験中に一緒に飛行していたF6Fヘルキャットの前で急上昇ののち宙返りをやって、F6Fヘルキャットのパイロットを驚かせたこともあった。そしてこの出力は排気タービンにより高度10,000ｍでも変わりはなく、高高度での飛行性能に劣る日本軍機の迎撃を困難にさせた。重量はB-17の2倍となったが、翼面積はB-17の131.92m²に対してB-29は159.79m²でありわずか21％増にしか過ぎなかったので、30㎡あたりの翼面荷重はB-29がB-17の約2倍となった。翼面荷重が増加すると着陸時の速度が高速となってしまうが、通常の飛行機の主翼の後縁に取付けられているフラップを長さ10ｍの巨大なものにすることにより、揚力を増加させることで着陸時の着陸速度を減少させるだけでなく離陸時の揚力も増加させている。そのためにB-29の主翼は細長い縦横比（アスペクト比）が大きなものとなり空気抵抗の少ない独特の形状となった。垂直安定板の前縁にはアンチ・アイス（防氷装置）も設置された。空気抵抗については局限まで減少させるため、リベットも沈頭鋲（鋲の頭を平らにして表面に凹凸がないようにしたもの）を使用したり、繋ぎ目を重ね合わせないで溶接した。B-29には、当時のアメリカの最先端の電子装備が配備され、航法や爆撃任務に最大限活用された。B-29の初期型では、長距離航法としてAN/APN-4LORAN航法が用いられ、のちにAPN-9が装備された。高高度爆撃と飛行に主に使用されたレーダーはAN/APO-13であり、80センチのレーダー・アンテナを持った同レーダーは2つの爆弾倉の間に設けられた半球状のレーダー・ドーム内に設置されており夜間爆撃用に使用される。より高度なAN/APO-7「イーグル」爆撃照準・航法用レーダーは、機体の下部に吊り下げられた翼状のケースに収納されており、一部の機体に設置された。SCR-718レーダー高度計は爆撃のための詳細な高度測定と地形マッピングに使用された。またその計測データは偏流計のデータと合わされて、対地速度と針路を計算するのにも使用された。B-29は専門の航空機関士を置く初めての機体にもなった。B-17までの従来の軍用機は操縦席の計器盤にエンジン関係の計器が埋め尽くしており、パイロットは操縦と共にそれらの計器類の状態を監視しなければならなかったが、B-29では操縦席の計器盤に一切それが取り払われ、航空機関士の前に置かれた形になり、エンジン関係の状態の監視はすべて航空機関士が行うこととなった。そのためパイロットは操縦に専念することができるなど、飛行機操縦の分業化が図られている。与圧室採用で、機体に旋回機関銃の射手（銃手）が通常の爆撃機のような銃座にすわるわけにはいかなかったので、集中火器管制射手が新たに機体後部に独立して取付けられた半透明の円蓋から、機銃が装備された銃塔を遠隔操作する方式をとった。B-29は5ヵ所（胴体上面の前後部、下面の前後部、尾部）に火器を備え、上部および下部銃塔には連装の12.7ミリ機関銃、尾部には同様の連装機関銃に加えて20ミリ機関砲1門が装備された（ただし、20ミリ機関砲は実戦投入後に撤去している機体が多い）。5ヵ所に照準器をそなえていたが、銃塔のうち、4ヵ所は射手が、もう1ヵ所は爆撃手が担当した。こうしたB-29の射撃システムにはアナログ・コンピューターを使用した火器管制装置によるコンピューター制御が取り入れられており。機体後部の半透明の円蓋下に取り付けられた別名「床屋の椅子」に座った集中火器管制射手が、すべての銃塔を指揮する主射撃盤を操作し対空戦闘を指揮した。すべての銃塔には優れた火器管制装置（ゼネラル・エレクトリック社製）が取り付けてあり、照準器には、弾着点とそれを囲むオレンジ色の点からなる円が写しだされ、射手は敵機の翼幅を照準器で手動でその数字に設定して、その敵機が見えると、射手は右手にある距離ノブによって照準器を始動させ、射手は照準器内で敵機を弾着点を示すオレンジ色の円内に入れるように操作した。敵機が近づくにつれて、このオレンジ色の円の直径が刻々と変化し、同時に弾着点をとらえ続けているので、敵が射程に入り次第親指で発射ボタンを押して射撃するだけでよかった。ただし、激戦の中では護衛のアメリカ軍戦闘機と日本軍戦闘機との識別は困難で、射手はB-29の機影以外の航空機に対し反射的に機銃の引き金を引く習慣がついていたという。弾道計算を含むすべての必要な計算は、床下の”ブラックボックス”に収められ装甲で保護された、アナログ・コンピューターによって行なわれるため、それまで非常に高い練度を必要とした見越し射撃が誰でも可能となり、従来の爆撃機搭載防御火器よりも命中率が驚異的に向上、敵機はうかつに接近できなくなった。射撃システムを統制するアナログ・コンピューターは、当時は大量に生産されているものではなかったため、急遽、ゼネラル・エレクトリック社に大量生産の指示がなされ、コンピューター技術者たちにも動員がかかり、昼夜を問わず寒風のなか露天に並べられたB-29の機内で直接コンピューターの設置作業をやらされている。