中國航空博物館自1986年10月開始籌建，1989年11月11日正式對外開放 。
2007年8月20日，中國航空博物館經(jīng)全國旅游景區(qū)質(zhì)量等級評定委員會評定為國家4A級旅游景區(qū) 。
2008年5月，國家文物局授予中國航空博物館為國家一級博物館。
2009年5月25日，中國航空工業(yè)集團公司與中國空軍簽署了共建中國航空博物館協(xié)議書。對博物館進行擴建，在擴建完成后又收集各種現(xiàn)有航空裝備樣機約800余架，如中航工業(yè)自主研制的梟龍戰(zhàn)斗機等。同時建設的永久性雕塑群景觀通過"利劍"主雕塑、英雄大道和英雄紀念墻三部分組合，展現(xiàn)中國航空和空軍從歷史走向未來的光輝歷程 。
自1986年到2010年的發(fā)展歷程，大致可分為4個階段:第一個階段為籌建階段，利用洞庫成立了"空軍武器裝備陳列館"，遠赴中國各地采集、搶救中外名機100余架，航空文物4000余件。第二個階段為基礎建設階段，重新擴充、規(guī)劃了室外展區(qū)，先后開展了"全軍訓練模擬器材成果展"、"空軍科技練兵展示"等。第三個階段為初步發(fā)展階段，從文物陳列向綜合展覽展示轉(zhuǎn)變，完善配套基礎設施，先后承辦"航空百年回顧展"、"紀念抗戰(zhàn)勝利60周年展"等活動。第四個階段為快速發(fā)展階段，為順應新時期對博物館功能的新要求，進行了深入挖掘藏品資源，研究拓展科教功能，開發(fā)高科技展覽展示形式，并逐步發(fā)展成為首批國家一級博物館，國家愛國主義、國防教育和科普教育基地 。
2017年4月24日，"長征二號F火箭"殘骸入館收藏。同時，由航天博物館與航天城太空郵局共同舉行"天空郵筒入駐博物館"啟動揭幕儀式 。
