Già agli inizi del XIX secolo lo scienziato britannico George Cayley studiò le proprietà delle superfici portanti e il fenomeno della resistenza dell'aria per mezzo di esperimenti che utilizzavano aquiloni e alianti ad ali curve muniti di timone, e progettò un elicottero a eliche controrotanti e un aereoplano (1843) in grado di decollare grazie a un'elica orizzontale. Un altro studioso britannico, Francis Herbert Wenham, si servì per le sue esperienze di una galleria aerodinamica e progettò un velivolo ad ali multiple poste una sopra l'altra, antenato del biplano.

Tra i costruttori dei primi modelli di aereoplano, John Stringfellow e William Samuel Henson realizzarono, nel 1848, un prototipo propulso da un motore a vapore e lanciato per mezzo di un cavo elastico; esso non riuscì ad alzarsi ma dimostrò di avere portanza percorrendo una quarantina di metri. In Francia, Alphonse Penaud costruì un modello lanciato a mano e dotato di elica propulsiva azionata da fasce di elastico strettamente arrotolate, e realizzò un prototipo che nel 1871 volò per circa 35 metri. Un altro inventore francese, Victor Tatin, sperimentò per il suo aeroplano la propulsione con aria compressa: fissato a un palo di sostegno centrale, il modello era spinto da due eliche trattive e riuscì a effettuare alcuni corti voli a bassa quota sollevandosi con il telaio a quattro ruote. L'italiano Enrico Forlanini nel 1877 costruì un modellino di elicottero a due eliche, una delle quali azionata da un motore a vapore, e il prototipo si alzò in volo.

L'inventore australiano Lawrence Hargrave realizzò un modello ad ali rigide propulso da pale oscillanti azionate da un motore ad aria compressa, che nel 1891 raggiunse la quota di circa 95 m. L'astronomo americano Samuel Pierpont Langley produsse nel 1896 alcuni modelli monoplani a tandem con propulsione a vapore e con aperture alari di 4,6 m, in grado di percorrere in volo distanze comprese tra 900 e 1200 m per circa 90 secondi, salendo in larghi cerchi; dopo aver esaurito la spinta propulsiva gli aerei planarono lentamente per ammarare sulle acque del fiume Potomac, presso Washington.

Numerosi tentativi di imitare il volo degli uccelli prevedevano l'impiego di pale o pinne azionate dalla potenza muscolare umana, ma nessuno di questi ebbe successo. Tra i primi esperimenti si possono ricordare quelli dell'austriaco Jacob Degen, dal 1806 al 1813; i voli del belga Vincent DeGroof, che morì schiantandosi al suolo nel 1874, e le imprese dello statunitense Spaulding, che nel 1889 brevettò il progetto per un velivolo con propulsione muscolare.

Maggior successo ottennero gli studi sul volo planato, che diedero significativi contributi alla progettazione delle ali. Tra i pionieri, si ricordano il francese Jean-Marie Le Bris, che sperimentò un aliante con ali mobili, l'americano John Joseph Montgomery e il tedesco Otto Lilienthal, protagonista di voli planati con aquiloni e ornitotteri e di spettacolari successi con alianti. Nel 1896 Lilienthal morì proprio durante un volo quando, perso il controllo del suo aliante, si schiantò al suolo. Tre anni dopo anche lo scozzese Percy Pilcher, che aveva conseguito notevoli successi con i suoi alianti, fu vittima di un incidente fatale. Tra il 1896 e il 1902 l'ingegnere statunitense Octave Chanute sperimentò alianti multiplani, mettendo in pratica molte delle idee contenute nell'opera Progress in Flying Machines (I progressi delle macchine volanti) pubblicata nel 1894.

Ulteriori conoscenze sull'aerodinamica e sulla stabilità del volo si acquisirono grazie a esperimenti effettuati con aquiloni. Lo scienziato americano James Means pubblicò le sue scoperte negli "Annali Aeronautici" del 1895, del 1896 e del 1897. Lawrence Hargrave perfezionò nel 1893 l'aquilone a scatola, e Alexander Graham Bell sviluppò tra il 1895 e il 1910 enormi aquiloni a celle tetraedriche capaci di trasportare uomini a bordo.

Nel decennio che seguì il 1890 vennero condotti vari esperimenti con modelli a motore in dimensioni reali. Nel 1890 il francese Clément Ader costruì una macchina, l'Eole, azionata da un motore a vapore da lui ideato, che il 9 ottobre, ad Armainvilliers, riuscì brevemente a staccarsi da terra in un volo non controllato, inaugurando l'era dei voli con macchine più pesanti dell'aria propulse a vapore. Nel 1901 e nel 1903 il fisico statunitense Samuel Pierpoint Langley sperimentò e portò in volo un modello non pilotato di dimensioni pari a un quarto del reale, prima di costruire una macchina in scala reale azionata da un motore a combustione interna, che battezzò Aerodrome; completata nel 1903, essa venne sperimentata due volte, ma entrambi i lanci terminarono con una disgrazia. Nel 1903 anche l'aviatore tedesco Karl Jatho sperimentò un modello in dimensioni reali con propulsione a motore, effettuando un breve volo non controllato.

Nel 1900 i fratelli americani Wilbur e Orville Wright, seguendo l'esempio di Lilienthal e degli altri pionieri, portarono in volo il loro primo aliante. Il progetto fu in seguito perfezionato e appena due anni dopo essi ripeterono l'esperimento con un nuovo aliante perfettamente efficiente. Il 17 dicembre 1903, nei pressi di Kitty Hawk, sulla costa del North Carolina, i Wright effettuarono con successo i primi voli con un mezzo più pesante dell'aria dotato di propulsione a motore e di apparecchiature per il controllo direzionale. L'aeroplano, chiamato Flyer (Volatore), fu provato quel giorno da entrambi i fratelli, e il volo più lungo, compiuto da Wilbur, coprì una distanza di 260 m ed ebbe una durata di 59 secondi. Negli anni seguenti, grazie al continuo sviluppo del loro progetto e al perfezionamento delle loro capacità di piloti, i fratelli Wright portarono a termine più di cento voli, il più lungo dei quali durò 38 minuti e 3 secondi e comportò numerose virate per ritornare in prossimità del punto di partenza.

Voli effettuati su aerei pilotati da altri pionieri vennero eseguiti solo nel 1906, nel corso di brevi esperimenti, dall'ungherese Trajan Vuia e dal danese Jacob Christian Ellehammer. Il primo volo ufficialmente presentato in Europa si svolse in Francia e venne compiuto dal brasiliano Alberto Santos-Dumont, il quale il 12 novembre 1906 coprì con il suo velivolo una distanza di circa 220 metri in 22,5 secondi. L'aereo, il 14-bis, fu progettato dallo stesso Santos, costruito dalla Voisin di Parigi e propulso con un motore Levavasseur da 40 hp. Era un biplano simile a un grosso aquilone a scatola, motore ed elica erano posizionati sul retro e il pilota era alloggiato in una specie di cesto sistemato appena davanti all'ala posteriore. Il primo volo europeo, della durata di un minuto, venne effettuato solo nel 1907 a opera di Henri Farman a bordo di un aereo costruito dalla Voisin. L'anno successivo lo stesso Farman fu il primo a volare tra due città da Châlons a Reims.

Uno dei più importanti progettisti, costruttori e piloti di aerei fu Glenn Hammond Curtiss, protagonista, nel maggio 1908, di un volo solitario a bordo di un aereo progettato e costruito da un gruppo noto come Aerial Experiment Association (Associazione aeronautica sperimentale), organizzato da Alexander Graham Bell e del quale Curtiss era uno dei cinque componenti. A bordo del loro terzo aereo, il 4 luglio 1908, Curtiss coprì una distanza di 1552 m in 1 minuto e 42,5 secondi. Nel gennaio 1911 portò in volo un idrovolante, un aereo in grado di ammarare e decollare dall'acqua, che l'anno precedente era stato progettato, costruito e sperimentato in Europa dal francese Henri Fabre.

In Italia, il primo volo fu eseguito a Roma, il 28 maggio 1908, da parte del francese Léon Delagrange, e l'impresa fu poi ripetuta a Milano e a Torino. Il 15 aprile del 1909 si esibì a Roma Wilbur Wright. Nello stesso anno volò, a bordo di un triplano costruito dal padre Aristide, il primo pilota italiano: Marco Faccioli.

Il 25 luglio 1909 l'ingegnere francese Louis Blériot, effettuò la prima traversata in aereo del Canale della Manica, da Calais a Dover, a bordo di un monoplano da lui stesso progettato e costruito, con un motore dell'italiano Anzani; il volo coprì una distanza di circa 37 km in 35 minuti e mezzo. Il 23 settembre 1910 il peruviano Geo Chavez sorvolò le Alpi, ma non riuscendo ad atterrare, si schiantò e perse la vita nei pressi di Domodossola.

Durante il periodo antecedente il 1914 la progettazione degli aerei e del loro apparato propulsore fece considerevoli progressi. I biplani con motore spingente, ossia gli aerei dotati di ali sovrapposte e di un'elica collocata dietro a esse, vennero sostituiti da biplani con elica trattiva, ossia con l'elica posta davanti alle ali. Minor successo ebbero i monoplani.

Nel corso della prima guerra mondiale i belligeranti impiegarono sia aerei sia mezzi più leggeri dell'aria (ad esempio palloni e dirigibili). Le esigenze belliche spinsero i progettisti a costruire macchine equipaggiate specificamente per la ricognizione, l'attacco, l'intercettazione, il bombardamento e altri compiti militari altamente specializzati. A causa delle perdite enormi causate dai combattimenti, nei cinque anni di conflitto vennero addestrati moltissimi piloti e costruiti migliaia di aerei, a volte di dimensioni notevoli come, ad esempio, i bombardieri biplani bimotori, trimotori e quadrimotori. Il motore rotativo, inizialmente favorito, in seguito lasciò spazio ai motori radiali, spesso del tipo a V raffreddati ad acqua.

Molti degli aerei militari rimasti inutilizzati alla fine del conflitto vennero acquistati e utilizzati da ex piloti militari, i quali intrapresero ogni tipo di attività di volo che potesse procurare loro una forma di guadagno, ad esempio il trasporto di passeggeri, l'aerofotografia, la pubblicità (solitamente ottenuta scrivendo i nomi dei prodotti sulla carlinga dei loro aerei), l'addestramento al volo, le gare e le esibizioni acrobatiche. Aerei in disuso vennero impiegati anche dal francese Bossoutrot che nel 1919 organizzò il primo servizio regolare passeggeri tra Parigi e Londra.

La via dei voli transoceanici fu aperta con la traversata dell'NC-4 (le lettere indicano le iniziali di Navy-Curtiss), un grande idrovolante che volò da Rockaway Beach, Long Island, presso New York, fino a Plymouth, in Inghilterra, con scali intermedi a Terranova, nelle isole Azzorre e a Lisbona, in Portogallo; la traversata durò dall'8 al 31 maggio 1919. La prima traversata transatlantica senza scalo venne effettuata dagli aviatori britannici John William Alcock e Arthur Whitten Brown, che il 14 e 15 giugno 1919, in poco più di 16 ore, volarono da St. John, sull'isola di Terranova, fino a Clifden, in Irlanda.

Numerosi furono i voli degni di nota effettuati nel primo dopoguerra. La prima circumnavigazione completa del globo fu effettuata dal 6 aprile al 28 settembre 1924; dei quattro Douglas Cruiser equipaggiati con motori Liberty, ciascuno con un equipaggio di due uomini, decollati da Seattle, sulla costa occidentale degli Stati Uniti, solo due ritornarono al punto di partenza: un aereo andò perduto in Alaska e un altro nel mare del Nord, ma non vi furono vittime.

Tra il 30 giugno e il 1° ottobre 1926 Alan Cobham effettuò un volo da Londra a Sidney e ritorno, via Melbourne e Adelaide, coprendo una distanza di 42.960 km. La prima trasvolata atlantica in solitario si ebbe a opera dell'aviatore statunitense Charles Augustus Lindbergh sulla tratta New York-Parigi, ossia su una distanza di 5810 km coperta in 33 ore e mezzo tra il 20 e il 21 maggio 1927 a bordo del Ryan NYP (dalle iniziali New York-Parigi), battezzato Spirit of Saint Louis.

Tra il 31 maggio e il 9 giugno 1928 i piloti australiani Charles Kingsford Smith e Charles Ulm, con gli statunitense Harry W. Lyon e James Warner, attraversarono il Pacifico da Oakland, California, a Sydney, in Australia, coprendo una distanza di 11.910 km, con scali alle Hawaii, alle isole Figi e a Brisbane. Tre piloti statunitensi, Amelia Earhart e i suoi compagni Wilmer Stultz e Louis Gordon, attraversarono l'Atlantico da Trepassey Bay, sull'isola di Terranova, a Burry Port, nel Galles, il 17-18 giugno 1928. Dal 3 al 5 luglio 1928 il capitano Arturo Ferrarin e il maggiore Carlo Del Prete effettuarono un volo senza scalo di 7186 km attraverso l'Atlantico, da Roma a punta Genipabu, in Brasile.

In questi anni si svolsero inoltre numerose competizioni per le varie classi di aerei, ad esempio il Trofeo Schneider per idrovolanti veloci. L'edizione del 1926, disputata negli Stati Uniti, fu vinta da Ferrarin, che a bordo di un Macchi M.39 conquistò anche il primato mondiale di velocità su base. Nel 1931 il trofeo fu conquistato dal Supermarine S6B, che presentava alcune caratteristiche in seguito adottate nel famoso caccia britannico Spitfire.

Il trasporto aereo commerciale si sviluppò gradualmente nel corso degli anni Venti, in particolar modo tra i paesi europei e le loro colonie, e tra il 1930 e il 1939 ebbe una notevole espansione, in particolare negli Stati Uniti. Già nel 1937 era emerso un considerevole interesse per i voli transatlantici, effettuati di solito con idrovolanti. Nel corso dei voli di prova lungo le rotte delle nuove compagnie di navigazione attorno al mondo vennero superati numerosi record. Nel 1938 l'industriale statunitense Howard Hughes sorvolò l'intero emisfero settentrionale in 3 giorni, 19 ore e 8 minuti a bordo di un Lockheed 14-N Super Electra, facendo scalo, per rifornirsi nel corso del viaggio iniziato e terminato a New York, solo a Parigi, Mosca, Omsk, Yakutsk, Fairbanks e Minneapolis. Nel 1938 l'italiano Mario Pezzi a bordo di un biplano Caproni Ca 161-bis conseguì il record di altezza raggiungendo una quota di 17 km.

Con l'approssimarsi della seconda guerra mondiale, i paesi europei dedicarono gran parte delle risorse disponibili allo sviluppo di aerei da combattimento, permettendo così agli Stati Uniti di conquistare una posizione di predominio nell'aviazione commerciale. Lo sviluppo dell'industria aeronautica statunitense pose inoltre le basi per la creazione della flotta militare da trasporto che ebbe un ruolo decisivo nella vittoria alleata.

Le necessità belliche emerse durante la seconda guerra mondiale accelerarono enormemente l'ulteriore progresso dell'aviazione, sia nella progettazione e nella produzione di caccia e bombardieri sia nello sviluppo di aerei per il trasporto di paracadutisti e di altro materiale pesante. Il controllo dei cieli divenne un elemento decisivo nelle battaglie. La produzione di aerei aumentò rapidamente e fu necessario addestrare un elevato numero di piloti e altro personale di volo; grande impulso venne inoltre dato allo sviluppo del radar e di altri strumenti di navigazione.

Il progresso più significativo fu comunque la propulsione a reazione, un'idea concepita in Gran Bretagna da Frank Whittle, ma sviluppata con i primi prototipi in Germania, dove l'Heinkel He 178, propulso da un motore HeS 3B sviluppato da Hans von Ohain, volò per la prima volta nell'agosto 1939, pochi giorni prima dell'inizio del conflitto.

Nel 1945 la produzione di aerei militari venne bruscamente ridotta, ma l'industria aeronautica convertì rapidamente le linee di montaggio per fabbricare velivoli commerciali. Le rotte internazionali vennero riattivate alla fine del 1945 e i voli regolari attraverso l'Atlantico, che al tempo utilizzavano aeroporti costieri per ridurrre le distanze di volo, si moltiplicarono.

Le nuove tecnologie messe a punto durante la guerra nella produzione di aerei militari vennero sfruttate al termine delle ostilità per costruire aerei civili più grandi e più veloci, dotati di comodità e accorgimenti innovativi. Aeroporti più efficienti, previsioni meteorologiche più affidabili, un maggior impiego di ausili per la navigazione e un maggiore interesse del pubblico per il trasporto aereo favorirono lo sviluppo dei viaggi e del trasporto di merci per via aerea.

Le sperimentazioni utilizzarono nuovi profili aerodinamici, nuovi materiali, nuovi apparati propulsori e i nuovi congegni elettronici aprirono la strada allo sviluppo di aerogetti veloci progettati per i voli transoceanici, di aerei supersonici, di aerei sperimentali con motore a razzo, di velivoli a decollo corto (STOL) e di navette spaziali (Esplorazione spaziale).

L'entrata in servizio sulle rotte commerciali degli aerei di linea a reazione, di pochi anni successiva alla realizzazione da parte delle grandi potenze di aerei supersonici da combattimento dotati di sofisticate armi guidate, diede alle compagnie la possibilità di ridurre il costo dei voli e i viaggi aerei divennero la forma di viaggio preferita per le lunghe distanze. In Europa venne introdotto un nuovo tipo di servizio con economici voli a noleggio (noti comunemente come charter) sulle tratte che collegano le più affollate località turistiche, specialmente nel Mediterraneo.

La rapida espansione del trasporto commerciale portò alla necessità di fondare organizzazioni internazionali per il suo controllo, ma solo nel 1947 fu fondata un'organizzazione per gestire i problemi del traffico aereo internazionale su larga scala: l'International Civil Aviation Organization (ICAO, l'Organizzazione dell'Aviazione Civile Internazionale), un'agenzia dell'ONU con sede generale a Montreal (Canada). A stretto contatto con l'ICAO opera l'International Air Transport Association (IATA), l'Associazione per il Trasporto Aereo Internazionale, anch'essa con sede a Montreal e collegata a circa 100 compagnie di navigazione che cercano di risolvere congiuntamente i problemi comuni. Un'altra organizzazione di questo tipo è la Fédération Aéronautique International (FAI).

Dopo il 1945 si è verificato un impiego sempre più massiccio dei velivoli privati per il trasporto di dirigenti e uomini d'affari (executive). Negli Stati Uniti questo tipo di aerei rappresentava nei primi anni Ottanta oltre il 90% dei velivoli operanti nel paese. La "guerra dei prezzi" conseguente alla decisione di liberalizzare il trasporto aereo ha provocato la crisi di diverse società: due delle maggiori compagnie aeree statunitensi, Pan American ed Eastern, hanno chiuso nel 1991, interrompendo un'attività iniziata nel lontano 1928.

Negli altri paesi la forte competizione e la recessione dei primi anni Novanta hanno portato alla stipulazione di accordi di cooperazione e in alcuni casi anche alla concessione di sussidi governativi a favore delle compagnie aeree nazionali (le cosiddette compagnie di bandiera).

L'entrata in servizio del Boeing 747-400 a lunga autonomia ha aperto la possibilità di effettuare voli commerciali con tratte senza scalo su distanze pari a un terzo della circonferenza terrestre. Tuttavia il primo volo senza scalo intorno al mondo, effettuato senza rifornimento, fu compiuto nel dicembre 1986 non da un aereo di linea, ma da un mezzo sperimentale ultraleggero appositamente progettato, il Voyager. Costruito quasi esclusivamente in materiali compositi, questo velivolo pesava al decollo solo 43360 N e portava 4500 litri di carburante stivati nei serbatoi. Al momento dell'atterraggio pesava solo 8240 N. I suoi piloti, Dick Rutan e Jeanna Yeager, percorsero 40.254 km in 9 giorni, 3 minuti e 44 secondi a una velocità media di 186,3 km/h stabilendo un record di distanza e di autonomia.