สนามบินอู่ตะเภาเป็นท่าอากาศยานภายใต้การดูแลของกองทัพเรือไทย ริเริ่มโครงการในปี พ.ศ. 2504 สืบเนื่องจากกองทัพเรือต้องการก่อสร้างสนามบินทหารเรือ จึงดำเนินการสำรวจพื้นที่บริเวณจังหวัดชลบุรี และจังหวัดระยอง ณ เวลานั้น กระทรวงกลาโหมได้อนุมัติให้ฝูงบินทหารเรือสังกัดกองเรือยุทธการ โดยใช้สนามบินกองทัพอากาศดอนเมืองเป็นสนามบินชั่วคราว

ต่อมากองบัญชาการทหารสูงสุดอนุมัติสร้างสนามบินแห่งใหม่ของกองทัพเรือบริเวณหมู่บ้านอู่ตะเภา จังหวัดระยอง โดยเป็นทางวิ่งลาดยางความยาว 1,200 เมตร เมื่อการก่อสร้างสำเร็จเรียบร้อย ในขณะนั้น ได้เกิดการขยายตัวของลัทธิคอมมิวนิสต์ในเวียดนามใต้ และประเทศลาว รัฐบาลสหรัฐอเมริกาเห็นว่าต้องสร้างสนามบินขนาดใหญ่ในประเทศไทยเพิ่มเติม

ในปี พ.ศ. 2505 รัฐบาลไทย และสหรัฐอเมริกา ได้มีโครงการร่วมกัน โดยคณะรัฐมนตรีได้ลงมติให้รัฐบาลสหรัฐอเมริกาปรับปรุงสนามบินอู่ตะเภาในปี พ.ศ. 2508 เพื่อเป็นหน่วยในการลำเลียงหน่วยรบไปยังจุดยุทธศาสตร์ต่างๆ ภายในประเทศ การก่อสร้างแล้วเสร็จในระยะเวลาประมาณ 1 ปี จอมพล ถนอม กิตติขจร ผู้บัญชาการทหารสูงสุดในเวลานั้น มีคำสั่งให้สนามบินแห่งนี้ให้กองทัพเรือใช้ในราชการ และดูแลรักษาสนามบิน โดยใช้ชื่อว่า "สนามบินอู่ตะเภา"

ในปี พ.ศ. 2519 กองทัพสหรัฐอเมริกาได้ถอนกำลังทหารออกจากประเทศไทย รวมทั้งสนามบินอู่ตะเภาด้วย คณะรัฐมนตรีจึงมีมติให้สนามบินอู่ตะเภาเป็นสนามบินพาณิชย์ระหว่างประเทศ และเป็นสนามบินสำรองของท่าอากาศยานดอนเมือง

หลังจากการปรับปรุงสนามบินอู่ตะเภาโดยกรมการบินพาณิชย์ คณะรัฐมนตรีเห็นว่าควรใช้ประโยชน์จากสนามบินอู่ตะเภามากขึ้น จึงพัฒนาสนามบินอู่ตะเภาเป็นท่าอากาศยานสากล โดยใช้ชื่อว่า "สนามบินนานาชาติระยอง–อู่ตะเภา" ภายใต้สังกัดของกองทัพเรือ โดยให้พัฒนาเป็นสนามบินพาณิชย์ร่วมกับกรมการบินพาณิชย์ กระทรวงคมนาคม

การบินไทยได้ตั้งศูนย์ซ่อมอากาศยานลำตัวกว้างแห่งที่สองขึ้นที่สนามบินอู่ตะเภา โดยศูนย์ซ่อมนี้สามารถรองรับเครื่องบิน ตระกูล Boeing 737, 747 และ 777 และเครื่องบินตระกูล Airbus A380, A300, A330 และ A340

วันที่ 28 พฤศจิกายน พ.ศ. 2551 มีการเปิดให้ใช้สนามบินอู่ตะเภา อ.บ้านฉาง จ.ระยอง ในการระบายผู้เดินทางเข้า-ออกประเทศไทย แทนท่าอากาศยานสุวรรณภูมิ และสนามบินดอนเมืองที่ถูกคำสั่งปิดเนื่องจากมีการชุมนุมของกลุ่มพันธมิตรประชาชนเพื่อประชาธิปไตย

วันที่ 3 มิถุนายน พ.ศ. 2558 ได้มีการลงนามในบันทึกข้อตกลงความร่วมมือการพัฒนาท่าอากาศยานอู่ตะเภาให้เป็นท่าอากาศยานเชิงพาณิชย์ แห่งที่ 3

วันที่ 25 มีนาคม พ.ศ. 2561 สายการบินไทยไลอ้อนแอร์ เปิดเส้นทางใหม่บินตรงจากท่าอากาศยานนานาชาติอู่ตะเภา พัทยา ถึงท่าอากาศยานนานาชาติเชียงใหม่ แบบเที่ยวบินประจำ 6 เที่ยวบินต่อสัปดาห์ โดยให้บริการทำการบินด้วยเครื่องบินแบบโบอิ้ง 737-800 (WL)

วันที่ 23 มิถุนายน พ.ศ. 2561 การบินไทย ได้ลงนามสัญญาระหว่าง บริษัท การบินไทย และ บริษัท แอร์บัส เพื่อจัดตั้งศูนย์ซ่อมอากาศยานของบริษัทแอร์บัส ที่ท่าอากาศยานอู่ตะเภา[3]

วันที่ 7 พฤศจิกายน พ.ศ. 2561 การบินไทยทำการบินจากท่าอากาศยานสุวรรณภูมิ เที่ยวบิน TG8419 มาที่ท่าอากาศยานอู่ตะเภา เพื่อทดสอบภายหลังซ่อมเครื่องบินทะเบียน HS-TGF[4]

วันที่ 9 พฤศจิกายน พ.ศ. 2561 สายการบิน อูซ แอร์ เที่ยวบินที่ ZF7721 ทำการบินไปกลับจากเมืองมอสโก มายัง ท่าอากาศยานอู่ตะเภา

ในเดือน ธันวาคม พ.ศ. 2561 ถึง มีนาคม พ.ศ. 2562 เที่ยวบินที่ทำการบินไกลที่สุดได้แก่ สายการบิน TUI Airways เที่ยวบิน TOM456/TOM457 ทำการบินจากเบอร์มิงแฮม เที่ยวบิน TOM162/TOM163 ทำการบินจากท่าอากาศยานลอนดอนแกตวิก และเที่ยวบิน TOM276/TOM277 ทำการบินจากเมืองแมนเซสเตอร์[5]

ในวันที่ 11 เมษายน พ.ศ. 2563 มีเที่ยวบินจากประเทศสหรัฐอเมริกาเข้าทำการบินที่ท่าอากาศยานอู่ตะเภาได้แก่ เที่ยวบิน dl88821 ทำการบินจากแอตแลนตาแวะที่เมืองแองเคอเรจก่อนมาที่อู่ตะเภา ต่อมาในวันที่ 14-15 เมษายนเที่ยวบิน dl8821 ทำการบินจากท่าอากาศยานนานาชาติฮาวายมาที่อู่ตะเภา ในวันที่ 19 เมษายนมีเที่ยวบินจากท่าอากาศยานนานาชาติฮาวายแวะ ท่าอากาศยานคาเดนะ จังหวัดโอกินาวะ ก่อนเข้าอู่ตะเภา ทั้งหมดเป็นเที่ยวบินรับนักเรียนนำทย afs