Самолет является дальнейшим развитием исходной модели 707-120. Отличается увеличенными размерами фюзеляжа и крыла, большими запасом топлива и дальностью полета. К разработке самолета фирма "Боинг" приступила в декабре 1955 г. по предложению авиакомпании "Пан Америкен", которая планировала выполнять рейсы через Атлантику в Европу.Первый полет самолет 707-300 выполнил 11 января 1959 г., а в середине июля получил сертификат FAA. Эксплуатация началась в конце августа 1959 г. На самолете использовались двигатели Пратт-Уитни JT4А-3, -5, -9, -11 и √12 тягой по 7150-7950 кгс.

С целью улучшения летных характеристик фирма провела доработку самолета, и в конце января 1962 г. состоялся первый полет самолета 707-320В с более мощными ТРДД JT3D-3. Самолет был сертифицирован в середине мая 1962 г., после чего поступил в эксплуатацию. Самолеты семейства 707-320 оказались самыми популярными среди всех самолетов типа 707. В середине 1970-х годов начались исследования по самолету 707-700, оснащенному более экономичными и малошумными ТРДД CFM Интернешнл CFM56-2 тягой по 9990 кгс. Опытный самолет с этими двигателями совершил первый полет в конце ноября 1979 г. После непродолжительных испытаний дальнейшие работы были прекращены. Чтобы добиться соответствия существующим нормам по шуму (ИКАО, глава 3), в течение многих лет рядом фирм ведутся работы по созданию специальных шумоглушащих устройств для гондол двигателей самолетов 707-320. К настоящему времени удалось только добиться соответствия требованиям по шуму по главе 2. Самолет 707-320В стал основой для создания специальных самолетов для ВВС США. В 1973 г. был разработан самолет Е-3 "Сентри" (система AWACS - ДРЛО), оснащенный надфюзеляж-ной вращающейся РЛС, предназначенной для раннего обнаружения различных воздушных целей и слежения за ними. Фирмой "Нортроп Грумман" в 1988 г. был создан самолет радиоэлектронной разведки и управления Е-8 "Такамо" (система J-STARS). Для контроля за испытаниями баллистических и крылатых ракет был разработан самолет ЕС-18, а для обеспечения связи с ракетными подводными лодками - самолет Е-6А "Меркьюри".

На самолете применяется обычный комплекс авионики с электромеханическими средствами индикации.