“海上霸王”的机翼后掠40度，展弦比5.53，机翼相对厚从翼根的11%过渡到翼尖的8%。增升装置是机翼外段前缘的缝翼和机翼后缘的襟翼，机翼上表面的扰流板负责滚转控制。翼尖副油箱兼做机翼浮筒，机翼有很大下反角以确保浮筒能触及水面，浮筒上安装了辅助停靠飞机的设备。“海上霸王”具有增压座舱，4人制机组包括正副飞行员、导航员兼无线电操作员、飞行工程师，都配备有弹射座椅，尾部有两门遥控20毫米自卫机炮。“海上霸王”充分借鉴了马丁XB-51攻击轰炸机的设计，例如T尾和旋转弹舱，实际上马丁的早期水上轰炸机方案就是XB-51的水上型。在飞行中弹舱旋转朝下暴露出武器或侦察照相机，平时弹舱采用充气密封的方式来保持水密。“海上霸王”的自卫武器是安装在尾部的双20毫米机炮遥控炮塔以及火控雷达。
旋转弹舱是P6M设计的一大特色
1954年12月21日首架“海上霸王”原型机下线，1955年7月14日该机在马丁试飞员乔治·罗德尼的驾驶下首飞。试飞项目中只发现了一个严重问题：发动机开加力时喷气会灼烧后机身，所以需要限制加力次数。1955年11月海军公开的“海上霸王”，并邀请媒体见证了第二架XP6M-1的下线，该机增加了导航和轰炸设备。
1955年11月海军公开的“海上霸王”，并邀请媒体见证了第二架XP6M-1的下线
由于发动机靠机身太近，XP6M-1开加力时喷气会灼烧后机身
海军航空局局长詹姆斯·拉塞尔少将认为海军的P6M可能比陆基轰炸机更有效，“水上飞机可以‘隐藏’在世界各地的海湾和河流入海口，并接受特遣舰队的支援。”当然他没说当时的原子弹尺寸和重量还很大，一时还无法装进P6M的弹舱。
试飞中的XP6M-1，注意原型机发动机的尾喷口是交错的
试飞项目一直顺利持续到1955年12月7日，在此之前的两天格伦·L·马丁去世。似乎“海上霸王”的好运气也随着马丁一起消散了，12月7日首名海军飞行员驾驶第一架原型机的一次例行检查飞行中，飞机坠入切萨皮克湾，4名乘员全部丧生。由于没有安装黑匣子，所以人们只能推测事故调查，推测该机因飞行控制系统故障导致飞机进入俯冲，机翼变形后被撕裂。第二架原型机随后改装了新的飞行仪表和弹射座椅，1956年5月“海上霸王”才恢复试飞。
8月，设计人员找到了困扰两架原型机的机身振动的解决方案，其中一项就是采用可锁住升降舵的可变迎角“全动平尾”。1956年11月9日第二架原型机开始飞新修改的尾翼，在一次高速浅俯冲中改出时，飞行员鲍勃·特纳失去了俯仰控制，飞机进入剧烈的倒飞筋斗，幸好在机身解体时乘员都安全弹射。根据事后分析黑匣子，这次事故的原因是尾翼控制系统的设计中出现了液压动作器力矩计算错误，导致在高速时对平尾施加了过大的力矩。
尽管损失了两架原型机，美国海军还是急切地盼望着“海上霸王”。马丁公司为该机设计了登岸支架，使飞机可从水中滑行到岸上。海军也配套订购了两艘船坞登陆舰、两艘水上飞机勤务船，并且把SS-362“瓜维亚”号潜艇改装成AOSS-362补给潜艇，拆掉了两个鱼雷发射管，并在艇身两侧增加了两个大鼓包，可装60万升航空煤油。“海上霸王”的母港设在北卡州伊丽莎白市的哈维点海军航空站。海军甚至还计划改装几艘护航航母作为水上飞机母舰，由于“海上霸王”太重无法起吊，所以航母尾部会增加可收放斜坡让P6M自行上舰。
马丁公司设计的登岸支架
正在登岸的XP6M-1
与P6M配套的船坞登陆舰
用船坞登陆舰改装的水上飞机母舰
以及专门为P6M设计的浮船坞
补给潜艇两侧增加了油箱
并且配备有全套燃油和弹药补给系统
1957年11月首架预生产型YP6M-1下线，1958年1月在第二架原型机坠毁近1年后“海上霸王”恢复试飞。YP6M-1安装艾林森J71-A-6发动机，发动机舱外偏5度呈明显外八字，减少了喷流对后机身的灼烧，发动机进气口也从机翼前缘处后移以减少吞入海水，尾部液压系统也改进过了。其余5架YP6M-1也在1958年完工，并加入试飞，试飞项目以疯狂的进度推进。“海上霸王”成功进行了常规武器和模拟核弹的投掷，并评估了安装在弹舱中的白天和夜间相机侦察托盘，尽管海军的标准水雷不能承受高速投放时的水面冲击，但布雷和导航系统还是活的了资格认证。
1958年，圣迭戈工厂外整齐排列的6架YP6M-1，注意发动机舱呈明显外八字
1959年初首架生产型P6M-2下线，这种型号终于实现了“海上霸王”的全部性能承诺。生产型换装了推力更大的普惠非加力J75-P-2涡喷发动机，单台推力7940千克，总推力增加了5440千克，从而可以大幅增加起飞总重量，从YP6M-1的77560千克增加到88450千克，发动机尾喷管也从原型机可预生产型的前后交错改为齐平式。
正在进行水箱测试的P6M-2模型
但是更大的总重也导致吃水加深，所以取消了机翼上反角。P6M-2还配备了具有大型天窗的新式座舱盖，改善了视野；晶体管化的斯佩里导航和轰炸系统；空中加油探杆。“海上霸王”的弹舱内还可以安装软管锥套式空中加油套件，可快速改装为空中加油机。
空中加油套件
“海上霸王”是一种来自未来的飞机，其性能表明该机绝不是一个漂亮玩具。飞行员报告说该机操控很好，在低空能飞到0.89马赫。这点非常重要，由于当时雷达制导防空导弹的兴起，低空飞行已经成为轰炸机战略穿透任务的标准战术。为了低空作战，“海上霸王”的机翼被设计得非常坚固，翼根铝蒙皮厚达2.5厘米。相比之下，美国空军的B-47在低空只能飞到0.58马赫，更新的B-52只能飞到0.55马赫。海军吹嘘他们的新水上飞机能在黑海布雷，并声称该机是“一种重要的反潜系统，能够在敌潜艇离开母港后就实施跟踪。”
XP6M-1（左）与P6M-2的三面图对比，可以看到P6M-2取消了机翼下反角，发动机尾喷管也齐平了
到1959年夏已有3架P6M-2完工，海军机组开始进行换装训练，迎接预计1960年初“海上霸王”的服役。此时还有5架飞机在制造中，但是海军开始逐渐削减“海上霸王”的订购数量，先是削减到24架，然后再是18架、8架（一个中队），但最后海军觉得只采购8架也过于昂贵。1959年8月21日海军取消了整个“海上霸王”项目，这引起了巨大的质疑，因为该项目已经花费了4亿美元，并且飞机也不存在问题。实际上“海上霸王”的概念业已过时，海军已经把兴趣转向了更具核威慑力的“北极星”弹道导弹潜艇上了。此外随着“尼米兹”级核动力航母的研制也提上议程，其所配套的A3D“空中勇士”和A3J“民团团员”重型攻击机将拥有更加卓越的核打击能力。
P6M-2起飞雄姿
马丁公司在此之后继续着水上飞机的研究，在“海上霸王”基础上提出了“海上情人”8发水上客机，但止步于纸面。还研究了“海上霸王”的核动力型，1956年美国海军提出了核动力轰炸机设想，选中了P6M-1“海上霸王”作为基准机，该机的尺寸和布局，以及能在海洋上起降的特点非常适合加装反应堆。核动力版“海上霸王”将安装4台修改过的涡喷发动机，由一台反应堆驱动。最后马丁公司的结论是飞机还要造得更大才能容纳下反应堆，核动力飞机的概念是不切实际的。
“海上霸王”核动力型概念图
Model 331-6核动力方案三面图
为核动力“海上霸王”设想的双体水上飞机母舰
“海上情人”8发水上客机