El 11 de mayo de 1936 el jefe de pilotos de pruebas de Bristol, Cyril Uwins, se instaló bordo del Bristol Type 138A, para realizar su primer vuelo de pruebas. Llevaba instalado un motor Jupiter IV con una hélice de tres palas.
Tanto el Royal Aircraft Establishment (RAE) como el National Physical Laboratory llevaron a cabo una considerable investigación para perfeccionar el diseño de la aeronave, así como para desarrollar un traje presurizado fiable para el piloto. Sir Robert Davis de Siebe Gorman y el profesor J.S. Haldane fueron fundamentales en el desarrollo del casco. Durante las pruebas, el traje presurizado se probó a una altitud equivalente a 80 000 pies (24 384 m).
Se realizaron dos vuelos adicionales en Filton antes de que la aeronave fuera entregada a la RAE en Farnborough, donde se probó el casco presurizado. Posteriormente, la aeronave regresó a Filton para la instalación del motor especial Pegasus y una hélice de cuatro palas. El 5 de septiembre de 1936, el Type 138A regresó a Farnborough para realizar más vuelos de prueba.
El Bristol 138 era un monoplano de ala baja en voladizo diseñado para volar a altitudes extremadamente elevadas para la época. El piloto se sentaba en una espaciosa cabina, climatizada mediante aire procedente de los enfriadores de aceite ubicados en las alas, cuya temperatura era regulable. La instrumentación incluía indicadores de nivel longitudinal, manómetros de presión de aceite, velocímetro, indicador de combustible, velocímetro y pirómetro. Los altímetros registradores, desarrollados por la RAE (Real Academia de Ingeniería Aeronáutica), estaban alojados en las alas, mientras que un altímetro independiente se instaló en la cabina.
El 138 estaba propulsado por un único motor Bristol Pegasus equipado con un compresor volumétrico de alta presión de dos etapas, fundamental para que el motor ofreciera el rendimiento necesario a gran altitud. El compresor de primera etapa permanecía acoplado permanentemente, mientras que un embrague activaba manualmente la segunda etapa al alcanzar la altitud correcta, lo cual era necesario para evitar una carga excesiva al volar a baja altitud. Empleaba un intercooler entre la primera y la segunda etapa.
La reducción de peso era una prioridad, y la estructura del avión, a excepción del soporte del motor y la cubierta del motor de tubo de acero, estaba construida con madera. Esta estructura interna estaba revestida con una lámina de contrachapado pegada a los largueros y puntales de caoba, que formaban la estructura interna, la cual estaba completamente carenada para reducir la resistencia aerodinámica. Las alas estaban construidas en tres secciones, con una sección central integrada al fuselaje.
Para soportar las altitudes extremas, el piloto utilizaba un traje de dos piezas especialmente diseñado. El traje estaba compuesto principalmente de tela engomada unida a la cintura mediante una abrazadera. Incluía un casco con una gran ventana frontal para facilitar la visibilidad. Contaba además con un aparato respiratorio de circuito cerrado, con oxígeno suministrado mediante un pequeño inyector para la circulación del aire. El aire exhalado viajaba a través de un tubo externo hasta un depósito que contenía sustancias químicas absorbentes de dióxido de carbono para su regeneración antes de regresar al piloto.
El Comandante de Escuadrón F.R.D. Swain, quien se había incorporado a la división experimental de la RAE en 1933, fue seleccionado para pilotar los vuelos a gran altitud. Tanto el programa general de investigación como los preparativos para el primer vuelo récord de altitud se llevaron a cabo bajo la dirección del Sr. H. E. Wimperis, Director de Investigación Científica del Ministerio del Aire.
El 28 de septiembre de 1936, Swain despegó de Farnborough en el Type 138A; ascendió a una altitud indicada de 16.000 m, durante la cual activó el sobrealimentador auxiliar a 10.668 m. Swain se quedó sin oxígeno durante el vuelo de dos horas y tuvo que romper la ventana de su casco presurizado tras descender a una altura segura. Los datos de este vuelo fueron reconocidos por la Federación Aeronáutica Internacional como un récord mundial de 15.230 m.
Tras este vuelo, el trabajo de desarrollo posterior dio como resultado una serie de pequeñas modificaciones en la aeronave, cuyo objetivo principal era la reducción de peso y la mejora del rendimiento del sobrealimentador. En esta versión ligeramente modificada, el Tipo 138A realizó seis vuelos más, alcanzando una altitud máxima de aproximadamente 15.000 m.
Durante este periodo, Italia logró recuperar el récord, alcanzando una altitud máxima registrada de 15.656 m. En respuesta, el 30 de junio de 1937, el teniente de vuelo M.J. Adam realizó un vuelo de 2¼ horas en el que alcanzó una altitud récord certificada de 16.440 m, a pesar de que la cabina sufrió una importante grieta durante el vuelo. Adam estuvo protegido de lesiones por su traje presurizado y su casco. Los vuelos de investigación continuaron, pero no se realizaron más intentos de batir récords.
En 1935 se encargó una segunda unidad, denominada Tipo 138B. Se trataba de un biplaza propulsado por un motor Rolls-Royce Kestrel S, equipado con un sistema de sobrealimentación de dos etapas similar, que le permitía generar 500 CV (370 kW). En 1937, el fuselaje se entregó al aeródromo de Farnborough para su finalización, pero el motor nunca se instaló y el 138B se utilizó como avión de instrucción en tierra, sin llegar a volar.
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