พ.ศ. 2466 ท่าอากาศยานอุดรธานีเปิดบริการเป็นครั้งแรกอยู่ภายในตัวเมืองอุดรธานี หลังจากนั้นในปี พ.ศ. 2475 ได้ย้ายท่าอากาศยานย้ายมาสร้างใหม่ที่ตำบลหนองขอนกว้าง (บริเวณที่ตั้งกองบิน 23 ในปัจจุบัน) โดยมีทางวิ่งเป็นทางลูกรังยาวประมาณ 500 เมตร และในปี พ.ศ. 2500 ท่าอากาศยานอุดรธานีได้สร้างทางวิ่งใหม่เป็นคอนกรีตยาว 3,048 เมตร กว้าง 38 เมตร โดยความร่วมมือระหว่างไทยกับสหรัฐอเมริกา

พ.ศ. 2533 กรมการบินพลเรือน (กรมท่าอากาศยานในปัจจุบัน) ได้ซื้อที่ดิน 400 ไร่ ที่ตำบลนาดี ถนนอุดร-เลย สร้างอาคารที่พักผู้โดยสารและหอบังคับการบิน พร้อมลานจอดเครื่องบิน สามารถจอดเครื่องบินแอร์บัส เอ320ได้ 2 ลำ จากนั้นในปี พ.ศ. 2543-2545 กรมการบินพลเรือน (กรมท่าอากาศยานในปัจจุบัน) ได้ขยายทางวิ่งจากความกว้าง 38 เมตร เป็น 45 เมตร รวมทั้งลานจอด พื้นที่ 47,250 ตารางเมตร สามารถจอดเครื่องบินแบบ Airbus ได้ 3 ลำ และ Boeing 737 ได้ 2 ลำ พร้อมกัน

ในปี พ.ศ. 2546-2548 ได้ก่อสร้างอาคารใหม่ (อาคารผู้โดยสาร A) พร้อมติดตั้งสะพานเทียบเครื่องบิน 1 สะพาน และปรับปรุงทางวิ่งและทางขับ และในปีพ.ศ. 2556-2558 ท่าอากาศยานนานาชาติอุดรธานีได้ปรับปรุงอาคารที่พักผู้โดยสารหลังเดิมให้เป็นอาคารที่พักผู้โดยสารระหว่างประเทศ (อาคารผู้โดยสาร B) พร้อมติดตั้งสะพานเทียบเครื่องบินอีก 1 สะพาน[3]