חיל-האוויר הוקם בסערת הקרב של מלחמת העצמאות, על בסיס קומץ אנשי ומטוסי "שירות האוויר" שפעל לפני הקמת המדינה. אל החיל הצעיר הגיעו מטוסים ומגויסים חדשים מרחבי העולם שהצטרפו לטייסים הישראליים המעטים.

ב-29 במאי 1948 בוצעה התקיפה הראשונה של חיל-האוויר באמצעות ארבעה מטוסי מסרשמידט שהובאו מצ'כוסלובקיה ובלמו את הטור המצרי ליד אשדוד. במהלך המלחמה הפיל חיל-האוויר מטוסי אויב, סייע לכוחות הקרקע ותקף את קהיר, דמשק ורבת-עמון.
עם תום המלחמה שוחררו רוב המתנדבים הזרים וחיל-האוויר שעבר להתבסס על מגויסים ישראליים, החל לארגן מחדש את בסיסיו, לבנות תורת לחימה ולארגן טייסות מקצועיות 
שקלטו מטוסים חדשים.

בתחילת שנות החמישים אורגן החיל מבחינה מבצעית ומנהלתית, פותחו מערכות הבקרה והוגבר השימוש בתצלומי אוויר משטח האויב כמקורות מודיעין. בשנת 1953 נכנס חיל-האוויר לעידן הסילון עם הגעתם של מטוסי "מטאור" מבריטניה ובמבצע "קדש", בשנת 1956, פעל חיל-האוויר במגוון מתארים, החל מהצנחת כוחות צנחנים בסיני, עבור בניתוק קווי התקשורת המצריים, משימות חילוץ וכלה בתקיפות וסיוע לכוחות הקרקע.

בתחילת שנות השישים נמשכה הצטיידות חיל-האוויר במטוסים חדשים ותורת לחימה בתחום קרבות אוויר נבחנה באינטנסיביות בשורה ארוכה של קרבות אוויר מול חילות-האוויר של מצרים, ירדן וסוריה. בפתיחת מלחמת ששת הימים, במסגרת מבצע "מוקד", השמיד חיל-האוויר את חיל-האוויר המצרי על הקרקע ופגע בצורה קשה ביותר בחילות-האוויר של סוריה, ירדן ועיראק. במהלך המלחמה סייעו מטוסי חיל-האוויר לכוחות הקרקע ומסוקי החיל ביצעו תובלת כוחות וחילוצים בחזיתות השונות.

במלחמת ההתשה פעל חיל-האוויר בכל החזיתות. הפעילות המבצעית האינטנסיבית ביותר התבצעה בחזית המצרית: קרבות אוויר, תקיפות סוללות טילים בחזית התעלה ותקיפות עומק בלב מצרים. כמו כן השתתפו טייסות המסוקים במספר רב של מבצעים משותפים עם כוחות הקרקע בבקעת הירדן ובחזית המצרית. במהלך שנים אלה המשיך חיל-האוויר לקלוט מטוסים ומסוקים חדשים ובתחילת שנות השבעים החלה הכניסה לעולם הכטב"ם (כלי-טיס בלתי מאויישים).

מבחנו הגדול של חיל-האוויר היה במלחמת יום הכיפורים. החל מהשעות הראשונות של המלחמה השתתפו מטוסי החיל במאמצי הבלימה מול צבאות מצרים וסוריה ולאורך כל המלחמה לקחו חלק בקרבות אוויר, תקיפת כוחות קרקע של האויב, הפצצת שדות-תעופה במצרים וסוריה, פגיעה ביעדים אסטרטגיים של האויב וסיוע לכוחות הקרקע של צה"ל.
האתגר הגדול שעמד בפני מטוסי החיל היו סוללות טילי קרקע-אוויר בשתי החזיתות שפגעו במספר רב של מטוסים. בשנים לאחר המלחמה הוקדשו מאמצים רבים למציאת פתרון לבעיה זו.

ביולי 1976, במסגרת "מבצע יונתן" הטיסו מטוסי קרנף (הרקולס) את כוחות החילוץ לאנטבה והחזירו את בני הערובה לישראל. בשנת 1978 השתתפו מטוסי ומסוקי החיל בסיוע לכוחות הקרקע במבצע ליטני. בחודש יוני 1981 השמידו מטוסי חיל-האוויר את הכור האטומי העיראקי ושנה מאוחר יותר, ביוני 1982, במלחמת לבנון הראשונה, פעל חיל-האוויר בתקיפת מטרות קרקע, בקרבות אוויר בהם הופלו עשרות מטוסים סוריים ובמבצע "ערצב 19" השמיד את סוללות הטילים הסוריות בבקעת הלבנון.

בתחילת שנות השמונים השתתפו מטוסי החיל בהעלאת יהדות אתיופיה לישראל ובאוקטובר 1985 בוצעה התקיפה הרחוקה ביותר של חיל-האוויר, במבצע "רגל עץ", במסגרתו הותקפה מפקדת אש"ף בטוניס.
מאז תחילת שנות ה-2000 פועל חיל-האוויר באינטנסיביות בשטחי יהודה,שומרון ועזה בתקיפת מטרות, סיוע לכוחות הקרקע ואיסוף מודיעין, בעיקר מאז יציאת ישראל מעזה בשנת 2005.

במלחמת לבנון השנייה בקיץ 2006 פעל חיל-האוויר בציד משגרים, תקיפת מטרות, סיוע לכוחות הקרקע, פינוי פצועים, איסוף מודיעין והטסת כוחות אל עומק שטח האויב. מבצע "עופרת יצוקה" בדצמבר 2008 נפתח בתקיפה אווירית נרחבת על מטרות חמא"ס ברצועת עזה. במהלך כל המבצע תקפו מטוסי ומסוקי החיל מטרות, פגעו במשגרים, פינו פצועים ואספו מודיעין.