สนามบินเมืองปายเริ่มก่อสร้างครั้งแรกตั้งแต่สงครามโลกครั้งที่ 2 โดยกองทัพทหารของประเทศญี่ปุ่น ซึ่งใช้จุดที่ตั้งสนามบินปายในปัจจุบันเป็นสนามบินชั่วคราว เพื่อให้เครื่องบินขนาดเล็กของญี่ปุ่นทำการบินขึ้น-ลง โดยใช้เชลยศึกในการก่อสร้างสนามบิน เมื่อสงครามสิ้นสุดลง สนามบินปายก็ไม่ได้ถูกใช้งานอีกเลย

ต่อมาในปี พ.ศ. 2495 ทางจังหวัดแม่ฮ่องสอนร่วมกับสำนักงานการบินพลเรือน ได้ทำการปรับปรุงสนามบินปาย ท่าอากาศยานแม่ฮ่องสอน สนามบินขุนยวม และสนามบินแม่สะเรียง ซึ่งอยู่ภายในจังหวัดแม่ฮ่องสอนทั้งหมด เพื่อใช้เชื่อมต่อการเดินทางสู่จุดต่างๆ ในแม่ฮ่องสอนได้ง่ายขึ้น และรองรับการเปิดเส้นทางบินของสายการบินเดินอากาศไทย โดยทำการบินบนเส้นทาง เชียงใหม่ – แม่ฮ่องสอน – ปาย – เชียงใหม่

พ.ศ. 2503 บริษัทเดินอากาศไทย ได้หยุดให้บริการมายังสนามบินปาย สนามบินขุนยวม และสนามบินแม่สะเรียง เนื่องจากเปลี่ยนแบบเครื่องบินเป็นดักลาส ดีซี-3 และทางวิ่งมีความยาวไม่พอ ซึ่งมีความกว้าง 20 เมตร และยาว 700 เมตรในขนาดนั้น โดยเมื่อไม่มีเที่ยวบินพาณิชย์มาลงที่ท่าอากาศยานปาย สถานีวิทยุสื่อสารการบินปายจึงได้ทำการบินตัวลงตามไปด้วยในวันที่ 16 กันยายน พ.ศ. 2503 แต่สนามบินปายก็ยังคงใช้เป็นที่ขึ้น-ลงของเครื่องบินทางการทหารและตำรวจต่อไป

พ.ศ. 2516 บริษัท การบินฟ้าสยาม เปิดทำการบินเช่าเหมาลำ เพื่อทำการรับส่งผู้โดยสาร สินค้า และ พัสดุภัณฑ์ไปรษณีย์ ในเส้นทางเชียงใหม่ – ปาย – เชียงใหม่ จึงสามารถเปิดให้บริการสถานีวิทยุสื่อสารการบินปายได้ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2516 โดยทำการบินเฉลี่ยวันละ 4-5 เที่ยวบิน จนถึง พ.ศ. 2520 บริษัท การบินฟ้าสยามหยุดการทำการบินและเลิกกิจการในที่สุด แต่สนามบินปายก็ยังเปิดให้บริการเรื่อยมาตามปกติ

พ.ศ. 2523 ทางกรมการบินพาณิชย์ ได้ตั้งงบประมาณจำนวนเงิน 1 ล้าน 5 แสนบาท เพื่อทำการปรับปรุงท่าอากาศยานปาย โดยเปลี่ยนทางวิ่งให้เป็นลูกรังบดอัดแน่น และก่อสร้างอาคารผู้โดยสารอาคารสถานีวิทยุสื่อสารและหอบังคับการบินเพิ่มเติม

พ.ศ. 2547 ได้มีการปรับปรุงทางวิ่ง ลานจอดเครื่องบิน และอาคารผู้โดยสาร โดยก่อสร้างตั้งแต่ 22 กรกฎาคม 2547 ถึง 20 กันยายน 2547 และจากนั้นในปี พ.ศ. 2550 สายการบิน SGA ได้เปิดเส้นทางการบิน เชียงใหม่ – ปาย – เชียงใหม่ โดยใช้เครื่องบินขนาดเล็กแบบ เซสน่า 208B คาราวาน จนกระทั่งเดือนธันวาคม 2554 ได้หยุดบินไป[2]

พ.ศ. 2554 สายการบินกานต์แอร์ ได้เริ่มให้บริการเที่ยวบินสู่ท่าอากาศยานปายด้วยเครื่องบินแบบ เซสน่า 208B คาราวาน สามารถจุผู้โดยสารได้ 12 ที่นั่ง แต่ในพ.ศ. 2559 สายการบินกานต์แอร์ ไม่ผ่านการตรวจสอบตามมาตรฐานการบินสากล จึงถูกเพิกถอนใบอนุญาตในการทำการบิน และยกเลิกเส้นทางการบินมายังปาย และทุกๆเส้นทางบินอีกด้วย