Работа над опытными самолетами началась в Ной-Оффине под Ульмом в 1941 году. Первый из них Me.264-V1 (RE+EN) был готов в конце 1942 года. По проекту самолет должен был донести до Нью-Йорка 1800-кг бомб. Бомбовый удар должен был совершаться с высоты недоступной истребителям. Оборонительного вооружения не предусматривалось, чтобы снизить воздушное сопротивление и вес конструкции до возможного минимума. Для ускорения работ Me.264-V1 был оснащен четырьмя двигателями Jumo-211J-1 жидкостного охлаждения в гондолах и с лобовыми радиаторами от Ju.88A-4. Двигатели развивали на взлете 1340 л.с. и 1060 л.с. Hа высоте 6000 м. Фюзеляж был типа монокок овального сечения и делился на три секции. Hосовая секция имела полетную палубу и большую площадь остекления. Центральная секция включала бомбоотсек, с проходом сверху, отсек для отдыха экипажа, проход в хвостовую часть. Хвостовая секция имела в конце позицию для наблюдателя. Однолонжеронное крыло имело довольно большую стреловидность по передней кромке и прямую заднюю кромку. Всю заднюю кромку занимали закрылки и элероны. Одноколесные стойки шасси убирались в сторону, в центроплан. Практически весь остальной объем крыла занимали протектированные баки общей емкостью 13800 л и еще 5800 л в непротектированных баках.
Первый полет состоялся в декабре 1942 года. Me.264-V1 был во всех отношениях, да и по проекту, лишь летающим испытательным стендом. Hо к тому времени США действительно вступили в войну, и в Техническом департаменте Министерства Авиации окончательно сложилась концепция «Amerikabomber». Было потребовано установить эффективное оборонительное вооружение и увеличить бомбовую нагрузку. Все эти требования можно было выполнить только использовав шесть двигателей. Как следствие Focke-Wulf выступил с предложением Та.400, как развитие проекта FW.200A, Junkers предложил Ju.390, а Messerschmitt – шестимоторный Me.264B. Технический департамент отдавал предпочтение Ju.390, имевшему хорошую совместимость по конструкции с Ju.290, уже выпускавшимся в Бернбурге, а Мессершмитту было предложено переделать второй и третий опытные машины в дальние морские разведчики.
Hеобходимые доработки задержали готовность Me.264-V2, хотя конструкционно он не отличался от предшественника. Требования Технического департамента появились только в марте 1943 года. Самолет должен был получить вместо Jumo-211J-1 14-цилиндровые BMW-801D с системой форсирования GM-1. Двигатели, экипаж, оборонительные стрелковые установки планировалось прикрыть 1 т брони. Предусматривалась установка оборонительного вооружения, фотооборудования, оборудование отсека для радиобуев, осветительных бомб и тому подобного. Me.264-V2 было решено закончить без оборонительного вооружения и оборудования - их планировалось поставить на Me.264-V3, который рассматривался прототипом для серии Ме.264А. В конце 1943 года Me.264-V2 был готов для наземных испытаний, когда его разбомбила союзная авиация.
Работа над Me.264-V3 продолжалась. Он, как и V2, получил удлиненные законцовки крыла, увеличившие размах крыла с 39 м до 43 м. Оборонительное вооружение состояло из передней и задней верхних башен с 13-мм пулеметом MG.131 в первой и 20-мм пушкой MG.151 во второй. Один MG.131 был в носовом остеклении, два таких пулемета в боковых установках, а в уступе в нижней части – 20-мм MG.151. Экипаж состоял из восьми человек. В конце бомбоотсека монтировались три автоматические камеры Rb.50/30. В отсек можно было подвесить до 2000 кг бомб. Для взлета с перегрузкой планировалось использовать дополнительные, сбрасываемые колеса на основных стойках шасси и стартовые ракетные ускорители – шесть тягой по 1000 кгс.
Проводились проработки и по другим вариантам самолета, включая с шестью двигателями DB603, четырьмя Jumo-213, четырьмя BMW-801E или G, плюс двумя турбореактивными Jumo-004, четыремя BMW-801TG и двумя турбореактивными BMW-018, а на BMW был даже просчитан вариант с двумя турбовальными BMW-028. Hо ситуация в начале 1944 года с поставками стратегического сырья не позволила надеяться на запуск Me.264 в серийное производство. Программа была завершена еще до окончания Me.264-V3.
Первое сообщение о существовании Me.264 всплыло в июле 1944 года, когда какая-то неизвестная немецкая радиостанция, сообщила, что Ме.264 был подготовлен на случай победы мятежных генералов, чтобы доставить Гитлера в Японию. Это вполне могло быть, но с окончанием программы Ме.264 единственный опытный самолет был передан на «Osermaschinen GmbH» для испытания на нем в полете паровой турбины. Паровая турбина должна была развивать мощность 6000 л.с. при 6000 мин^–1 и приводить винт диаметром 5,3 м с частотой вращения 400...500 мин^–1 или 2 м при 6000 мин^–1. Двигатель должен был работать на смеси угля и бензина (65 % угольной пыли и 35 % бензина). Me.264-V1 разбомбили еще до начала летных испытаний двигателя.