在總體布局確定之后，B-2開始進入工程設計階段，首要任務就是將各類研發風險歸零。第一個難題來自復合材料，B-2的翼展達到52.4米，機翼表面積非常大，采用常規的鋼、鋁、鈦材都會過于沉重而失去實用價值。
和很多文章上的說法有些許差別，B-2的翼展和XB-35/YB-49并不完全相同，而是短了152毫米，采用這一長度的翼展只是工程上的巧合而并沒有多少技術方面的繼承。
> 上圖的模型尺寸也不完全準確，不過很好地展現了3種飛翼轟炸機的異同
當時復合材料已經在航空工業中得到廣泛運用，空客A320率先采用復材主翼，但機翼主體結構還是鋁合金的，而B-2的機翼完全由碳-石墨復材構成，這么大的尺度還從未遇到過。
諾斯羅普和空軍共同投資開發了很多新型制造技術：LTV公司負責研究在復材中安裝緊固件和噴水切割復材的工藝；波音負責拉擠成形、巨型高壓釜、復材結構超聲波探傷技術以及最核心的大面積復合材料編織成型技術，包括機翼主體部分。這些大型構件制成后又被拆解進行全面分析，以確認它們能夠承載設計的結構載荷。
> B-2的“首飛”是在C-5A的機腹里完成的，其復合材料的機翼和彈艙總成從西雅圖波音軍機工廠空運至加州帕姆代爾
空軍一度打算讓波音另行研制一款全鋁制機翼，以便在復材不過關時作為替代方案，不過諾斯羅普團隊最終證明他們可以設計制造出合格的大尺寸復材結構件，諾斯羅普通過B-2項目獲得了全球航空工業中最強大的高壓釜產能。B-2的研制推動著整個美國航空制造業向前邁出了一大步，為今后在波音777、787上大規模應用復合材料以及集成式全數字化設計鋪平了道路。
B-2是航空史上最復雜的飛機之一，其復雜程度超過F-117的5-6倍。初代隱身機F-117被賦予的任務相當簡單，就是作為“銀子彈”穿透東歐前線在目標區投擲2枚激光制導炸彈然后回家；而對B-2的要求則要全面得多，從核威懾值班到常規戰術轟炸都有涉及。這也反映在兩種飛機的航電系統上，F-117作為戰術攻擊機隱身性就是它的一切，飛機上甚至沒有安裝雷達；B-2被塞進了全套的電子對抗和轟炸雷達系統，在機體表面集成了眾多小型天線陣列，這些高增益天線本身都是強烈的散射源，如何讓它們相互兼容并且具備低探測性充滿了挑戰。座艙顯示系統和數據處理也遠比今天困難得多，80年代初最快的軍用計算機處理器只有512K字節，處理速度慢就只能增加并行運算的處理器數量。
> 總裝線上的B-2，機身上分布了很多嵌入式傳感器
在消滅所有設計風險后，下一關是如何從圖紙過渡到制造。諾斯羅普必須在最嚴格的安全保密措施下迅速建立起B-2的生產線。凍結狀態后，半個美國航空工業都為B-2運轉起來：在西雅圖，波音公司為B-2的復合材料機翼制造了世界上最大的高壓釜和超聲波探傷設備；在德州，LTV正在琢磨如何為巨大的S型發動機進氣道開發模具；諾斯羅普買下了福特位于大洛杉磯Pico Rivera的工廠并將它徹底推平，按B-2的生產和保密要求重建了整個廠區，B-2的各個分系統都在這里生產組裝。
> 注意Pico Rivera工廠園區右下角小公園的形狀
最后的總裝由位于加州帕姆代爾的空軍42號工廠完成，該絕密工廠隸屬于空軍裝備司令部航空系統中心，由愛德華茲空軍基地負責管理。
> C-5A機組“偷拍”的B-2總裝廠房
【 低空突防 】
早在ATB競標結束前的1981年4月，美國空軍就提出要更改任務需求，探索低空突防的可能性。雖然B-2的初始設計一直著眼于高空作業，Waaland還是給它安裝了地形回避系統以便進行低空高速巡航飛行。正式得到加入低空突防能力的方案更改需求后，諾斯羅普回到原點從一張白紙開始重新驗證飛機的總體布局。
在評估了包括飛翼、三角翼低空突防構型（1979年8月曾向空軍提議過）等多種方案之后，團隊確信現有的飛翼設計仍然是正確的方向，不過需要修改許多細節，包括加強機翼機構、增加載油量等，這些改動對內部容積很大的飛翼來說相對容易得多。
> B-2的低空突防三角翼布局方案
這時發生了兩件事情。第一件是空軍分析師不安地發現蘇聯投入了新型的防空雷達系統，可能具備了引導戰斗機在高空攔截B-2的能力。Kinnu認為面對這樣的新威脅，只有轉向低空突防才能讓蘇聯的米格-25找不到自己并迅速消耗光燃料。第二件是戰略空軍司令部提出B-2的低空飛行速度需要接近音速，以提高在極高威脅環境中的生存能力。
在徹底分析了其中的設計風險之后，1983年初諾斯羅普得出了最壞的結論：B-2需要進行一次改動巨大的重新設計。原有的液壓控制系統在氣流穩定的高空工作正常，但是風洞試驗顯示在低空強陣風環境中飛控系統將難以勝任，其面對的氣動壓力達到了超音速戰斗機的水平。氣動控制面的面積不足，位置也不對，飛行員無法對陣風帶來的氣流沖擊做出迅速而有力的反應。外翼段的氣動載荷無法有效地傳遞給內翼段，在發動機進氣道附近會產生多處結構疲勞點。更糟糕的是高攻角狀態時飛機很容易失控，因為沒有足夠的氣流讓副翼產生舵效。
> 低空飛行中B-2機翼在氣流作用下產生的劇烈晃動
要解決這些問題必須更改后整個后部設計，來自NASA德萊登飛行研究中心（現已更名為阿姆斯特朗飛行研究中心）的阿爾伯特·梅耶爾斯率領飛控團隊和氣動結構團隊合作，還邀請了來自霍尼韋爾和NASA蘭利中心的各路專家協助建模，分析問題，一起啃下了這塊硬骨頭。在80年代早期，飛控模型的復雜程度用模型中的層級數標識，常規的飛控設計通常只需第10層，非常復雜的可能達到第12層，而B-2高達110層！
他們將后緣的W型改為鋸齒狀的雙W型，讓氣動控制面盡量遠離氣動中心，增大控制力矩。內翼段新增了兩塊控制面，從機翼折線處（A點）向內一直延伸到后緣末端（B點），并且擴展了每個控制面的面積。為了滿足空軍提出的低空高亞音速飛行要求，B-2巨大的氣動控制面響應速度非常快，F-16的襟副翼轉動速度是80度/秒，B-2內側副翼達到了100度/秒。
針對低空陣風擾動這個特定問題，梅耶爾斯設計了一個開創性的“陣風載荷緩解系統”⑤，它還有一個更好理解的俗稱 - “海貍尾”，就是在機身末端安裝了一塊由飛控計算機控制的五邊形扁平可動尾錐，對陣風擾動做出自動補償，向上下偏轉產生反作用力抵消氣流的顛簸。這個系統效率非常高，常規的陣風補償系統（如B-1B上的全動小翼）設計標準是降低陣風氣動載荷的10%-12%，B-2在采用了該系統后達到了40%。
> 起飛時處于放下位置的“海貍尾”，和機身接縫處敷有柔性蒙皮進行遮蓋
除了飛控方面的考慮，諾斯羅普的結構工程師們還趁著重新設計的機會彌補了許多原始設計上的不足，包括增強機體結構、改進中央機體的氣動外形、駕駛艙前移、將進氣口從V型改為W型等。所有這些設計的改動集合在一起，極大地改變了B-2的外觀和氣動布局，新設計顯得復雜而優雅，提升了轟炸機的性能，同時也非常昂貴，設計變更估計耗資高達20億美元。
