C-141A
variante NC-141A da NASA.O primeiro modelo da família Starlifter, designado C-141A, poderia transportar 138 passageiros ou até 28 900 kg de carga. O C-141 poderia também transportar carga especial, como o míssil intercontinental Minuteman. A USAF depressa descobriu que o volume do porão de carga era relativamente pequeno em comparação com a capacidade de carga; normalmente ficava sem espaço físico antes de atingir o seu limite de peso máximo. A NASA acabou por receber o avião de demonstração da Lockheed, designado por L-300. O avião foi modificado para albergar o telescópio do Observatório Aéreo de Kuiper para utilização em altitudes muito elevadas. Este avião da NASA foi baptizado NC-141A e encontra-se actualmente armazenado no Centro de Investigação Ames da NASA em Ames, Califórnia. C-141B
A C-141B reabastecimento a partir de um KC-10 Extender.
Para corrigir deficiências detectadas no modelo original, e para utilizar o C-141 em todo o seu potencial, os 270 C-141As que estavam em serviço foram alongados, acrescentando o volume de carga necessário. Estas aeronaves modificadas foram designadas C-141B. Foram adicionadas secções adicionais da fuselagem à frente e atrás das asas, alongando a fuselagem em 7,11 metros. Além disso, nesta versão, a fuselagem foi modificada para fornecer capacidade de reabastecimento em voo. A conversão destes aviões foi realizada entre 1977 e 1982, com a primeira entrega em Dezembro de 1979. O programa de prolongamento foi estimado como sendo equivalente à compra de 90 novas aeronaves, em termos de aumento da capacidade. SOLL II Em 1994, treze C-141Bs foram modificados para Operações Especiais de Baixo Nível II (SOLL II), o que deu à aeronave a capacidade de voar a baixa altitude à noite, e reforçou as medidas defensivas. Estes aviões foram operados pelo Comando de Mobilidade Aérea, em conjunto com o Comando de Operações Especiais da Força Aérea. C-141C Sessenta e três aeronaves foram melhoradas nos anos 90 para a norma C-141C, com sistemas aviónicos e de navegação melhorados, para fornecer uma frota de transporte aéreo moderna até que o número de Globemaster III Boeing C-17 fosse suficiente para os substituir.