เครื่องซี-17 เครื่องทดสอบเครื่องแรกได้ทำการบินครั้งแรกในวันที่ 18 กันยายน ค.ศ. 1991 ผลจาการทดสอบและการทดสอบภาคพื้นดินทำให้ทราบข้อบกพร่องหลายอย่าง โดยกระทรวงกลาโหมที่มองว่า ซี-17 เป็นเครื่องบินที่ไม่มีความปลอดภัย พบว่ามีปัญหาเกิดขึ้นหลายอย่างเช่น แฟลบเกิดการอ่อนตัวเมื่อถูกความร้อน มีรอยร้าวเกิดขึ้นที่ผิวปีกด้านบน ปัญหาเชื้อเพลิงรั่ว ปัญหาฐานล้อยุบตัวมากไป ซึ่งต่อมาบริษัทผู้ผลิตได้ทำการแก้ไขเป็นที่เรียบร้อยแล้ว

แมคดอนเนลล์ ดักลาส ได้ส่งมอบ ซี-17 เครื่องแรกให้กับกองทัพอากาศสหรัฐฯ ในเดือนมิถุนายน ค.ศ. 1993 โดยเข้าประจำการในกองบินลำเลียงที่ 437 และหลังจากมอบเข้าประจำการ ซี-17 ได้รับการทดสอบและใช้งานอย่างสมบุกสมบันเพื่อลบล้างภาพลักษณ์ที่ไม่ดีในอดีตจนกระทั่งกลายเป็นเครื่องบินที่สร้างความพอใจกับกองทัพอากาศสหรัฐฯเป็นอย่างมาก โดยการทดสอบในสภาพอุณหภูมิทั้งร้อนจัดและหนาวจัด การนำไปปฏิบัติการในบอสเนียในปี ค.ศ. 1996