การจัดตั้งพิพิธภัณฑ์ครั้งแรก เมื่อ พ.ศ. 2495
เนื่องด้วยคณะรัฐมนตรีได้มีมติเมื่อวันที่ 13 สิงหาคม 2495 ให้กระทรวงกลาโหมจัดตั้งพิพิธภัณฑ์การทหาร (Military Museum) ของทั้ง 3 กองทัพขึ้น เพื่อจัดเป็นประวัติศาสตร์และแสดงวิวัฒนาการในทางการทหารของประเทศไทยในอดีตและปัจจุบัน จึงได้ออกคำสั่งกระทรวงกลาโหม(พิเศษ) ที่ 50/19491ลงวันที่ 26 กันยายน 2495 ตั้งคณะกรรมการพิจารณาจัดตั้งพิพิธภัณฑ์การทหาร เพื่อดำเนินการในเรื่องนี้ให้เป็นผลสมความมุ่งหมาย

คณะกรรมการตามคำสั่ง กห.(พิเศษ) ที่ 50/19491 ประกอบด้วย
1. พล.อ.หลวงเสนาณรงค์ ปลัดกระทรวงกลาโหม เป็นประธานกรรมการ
2. พล.ท.จิร วิชิตสงคราม ที่ปรึกษาการทหาร เป็นรองประธานกรรมการ
3. พล.อ.ท.เพิ่ม ลิมปิสวัสสดิ์ เจ้ากรม ชอ.เป็นประธานกรรมการ
4. พล.ต.สุรพล สุรพลพิเชตถ รองผู้อำนวยการศึกษาและวิจัย สธ.กลาโหม เป็นกรรมการ
5. พล.ร.ต.เอกไชย อิศรางกูร ณ อยุธยา ร.น. เจ้ากรม ยศ.ทร.เป็นกรรมการ
6. พ.อ.ขุนเสนาทิพ ผบ.รร.นายร้อยพระจุลจอมเกล้า เป็นกรรมการ
7. น.อ.พล สุวรรณประเทศ ร.น. รองเจ้ากรม สพ.เป็นกรรมการ
8. พ.อ.เกียรติ บุรกสิกร เสธ.กรมสรรพาวุธ ทบ.เป็นกรรมการ
9. ผู้แทนกรมศิลปากร หลวงบริบาลบุรีภัณฑ ์(ตามที่ได้ตกลงกับกรมศิลปากรแล้ว) เป็นกรรมการ
โดยให้คณะกรรมการนี้มีหน้าที่พิจารณากำหนดโครงการและงบประมาณซึ่งเกี่ยวกับการจัดหาสถานที่การก่อสร้างอาคาร ตลอดจนการรวบรวมจัดหาบรรดาสรรพสิ่งต่าง ๆ เพื่อที่จะนำมาประกอบ การจัดตั้งพิพิธภัณฑ์ทหารนี้ขึ้น ด้วยเหตุนี้ทางราชการเห็นเป็นการสมควรที่จะจัดตั้งพิพิธภัณฑ์ของกองทัพอากาศขึ้น ดังนั้นในปี พ.ศ. 2495 กองทัพอากาศได้ออกคำสั่งกองทัพอากาศ (พิเศษ) ที่ 288/18709 ลงวันที่ 8 กันยายน 2495 เรื่อง ให้จัดตั้งพิพิธภัณฑ์กองทัพอากาศ (จอมพลอากาศ ฟื้น รณนภากาศ ฤทธาคนี เป็นผู้บัญชาการทหารอากาศ) และได้ตั้งคณะกรรมการดำเนินการรุ่นแรก มี 5 ท่าน

คณะกรรมการดำเนินการรุ่นแรก มี 5 ท่านประกอบด้วย
1. พลอากาศโท เพิ่ม ลิมปิสวัสดิ์ เป็นประธานกรรมการ
2. พลอากาศตรี หลวงกร โกสียกาจ เป็นกรรมการ
3. พลอากาศตรี เจือ ปุญยโสนี เป็นกรรมการ
4. พลอากาศตรี มนัส เหมือนทางจีน เป็นกรรมการ
5. นาวาอากาศเอก นักรบ บิณษรี เป็นกรรมการ
มีหน้าที่พิจารณาดำเนินการจัดตั้งพิพิธภัณฑ์ของกองทัพอากาศขึ้น ทั้งนี้ คณะกรรมการชุดนี้ได้วางรากฐานพิพิธภัณฑ์ของกองทัพอากาศ โดยมุ่งหมายจัดหายุทธภัณฑ์และสันติภัณฑ์ทุกประเภท ตามยุคตามสมัย เป็นลำดับตั้งแต่ต้นจนถึงปัจจุบัน เช่น เครื่องบิน เครื่องยนต์ วิทยุ อาวุธ และอุปกรณ์อื่น ๆ มารวบรวมไว้

สถานที่ตั้งอาคารพิพิธภัณฑ์ครั้งแรก พ.ศ. 2495
ในครั้งแรกได้ใช้โรงงานช่างอากาศที่ 3 (โรงงานการซ่อม ชอ.โรงสังกะสีแบบแฮงการ์) ซึ่งอยู่ฝั่งตะวันตกของสนามบินดอนเมือง เป็นสถานที่ตั้งแสดงพัสดุพิพิธภัณฑ์ดังกล่าว ในขณะเดียวกัน ทางกระทรวงกลาโหม มีความประสงค์ที่จะจัดตั้งพิพิธภัณฑ์ทหาร เพื่อประโยชน์ในการศึกษาและเป็นประวัติศาสตร์ของทหาร โดยได้ตั้งกรรมการประกอบด้วยผู้แทน 3 เหล่าทัพ พิจารณาดำเนินการจัดตั้งพิพิธภัณฑ์ทหาร ในการนี้กองทัพอากาศ ได้ให้เจ้ากรมช่างอากาศ (พล.อ.ท.เพิ่ม ลิมปิสวัสดิ์) เป็นผู้แทนของ ทอ.ไปร่วมประชุม ซึ่งคณะกรรมการได้เสนอของบประมาณค่าใช้จ่ายรวมทั้งสิ้น ประมาณ 30 ล้านบาท เป็นค่าซื้อที่ดิน 10 ล้านบาท ค่าตกแต่งที่ดิน 5 ล้านบาท ค่าก่อสร้างอาคารแต่ละกองทัพ ๆ ละ 5 ล้านบาท กระทรวงกลาโหมพิจารณาแล้วเห็นพ้องต้องกับคณะกรรมการ จึงได้เสนอเรื่องตามหนังสือกระทรวงกลาโหมที่ 4208/2497 ลงวันที่ 17 กุมภาพันธ์ 2497 ให้กระทรวงการคลังพิจารณาแล้วแจ้งว่า ไม่สามารถจะหาเงินมาจ่าให้ได้ในขณะนั้น เนื่องจากเงินของประเทศอยู่ในระยะที่ขาดแคลน อาจจะมีความจำเป็นจะต้องใช้เงินเพื่อรับสถานการณ์ฉุกเฉินซึ่งอาจเกิดขึ้นได้ กระทรวงการคลัง จึงเห็นสมควรที่จะระงับเรื่องนี้ไว้ก่อน ซึ่งคณะรัฐมนตรีได้ประชุมปรึกษาลงมติเมื่อวันที่ 5 เมษายน 2497เห็นชอบด้วย ตามที่กระทรวงการคลังเสนอ การจัดตั้งพิพิธภัณฑ์ทหารจึงได้ระงับไว้ก่อน

การปรับปรุงพิพิธภัณฑ์ของกองทัพอากาศ เมื่อ พ.ศ. 2501 – 2502
ในปี พ.ศ. 2501 กองทัพอากาศได้มีคำสั่งกองทัพอากาศ (เฉพาะ) ที่ 86/01 ลงวันที่ 22 ตุลาคม 2501 เรื่องให้จัดตั้งพิพิธภัณฑ์กองทัพอากาศ (สมัยจอมพลอากาศ เฉลิมเกียรติ วัฒนางกูร เป็นผู้บัญชาการทหารอากาศ) ได้จัดตั้งกรรมการขึ้นใหม่อีกคณะหนึ่ง เพื่อดำเนินการจัดตั้งพิพิธภัณฑ์ของ กองทัพอากาศจากชุดก่อนคือ

1. พล.อ.ท.เพิ่ม ลิมปิสวัสดิ์ เป็นประธานกรรมการ
2. พล.อ.ต.เจือ ปุญยโสนี เป็นกรรมการ
3. พล.อ.ต.สวน สุขเสริมเป็นกรรมการ
4. พล.อ.ต.พิชิต บุญยเสนา เป็นกรรมการ
5. น.อ.เอกชัย มุสิกบุตร เป็นกรรมการ
6. น.อ.วิทย์ แก้วสถิตย์ เป็นกรรมการ
7. น.อ.วีระ อุมนานนท์ เป็นกรรมการ
คณะกรรมการได้ดำเนินการตามวัตถุประสงค์ซึ่งกำหนดไว้ทำนองเดียวกันกับคำสั่ง ทอ. (พิเศษ) ที่ 288/18709 คณะกรรรมการชุดนี้ได้ดำเนินการขอสถานที่โรงเก็บกระสุนวัตถุระเบิดของกรมสรรพวุธทหารอากาศ ซึ่งอยู่ติดกับพิพิธภัณฑ์อีก 1 โรง เพื่อใช้เป็นอาคารพิพิธภัณฑ์เพิ่มเติม เพราะรวบรวมพัสดุพิพิธภัณฑ์ได้มากขึ้น และผู้บัญชาการทหารอากาศได้อนุมัติแล้วในด้านการจัดหาวัสดุพิพิธภัณฑ์ คณะกรรมการได้ขอความร่วมมือจากส่วนราชการต่าง ๆ ที่มีวัสดุพิพิธภัณฑ์ ให้ทำบัญชีรายงานวัสดุซึ่งมีทั้ง วัสดุจริง ภาพถ่าย ตลอดจนเอกสารต่าง ๆ พร้อมทั้งประวัติ แบบ ชนิด สมรรถนะ ชื่อบริษัทผู้ผลิตหรือสั่งซื้อ ปีที่ประจำการ ชื่อผู้บริจาค ให้แก่กองทัพอากาศ ราคาและอื่น ๆ และรวบรวมวัสดุเอกสารเหล่านั้นไว้ก่อน เมื่อมีสถานที่เก็บแล้วทางพิพิธภัณฑ์จึงจะขอรับมาเก็บต่อไป การดำเนินการพิพิธภัณฑ์ในระยะนี้ฝากให้อยู่ในความดูแลของกรมช่างอากาศ

การโอนกิจการพิพิธภัณฑ์ของกองทัพอากาศ
ในปี พ.ศ. 2502 กองทัพอากาศได้มีคำสั่งที่ 20025/02 ให้โอนสถานที่และพัสดุพิพิธภัณฑ์ของกองทัพอากาศไปขึ้นอยู่กับ แผนกตำนานและสถิติ กองเสมียนตรา กรมสารบรรณทหารอากาศ ซึ่ง จอมพลอากาศ เฉลิมเกียรติ วัฒนางกูร อดีตผู้บัญชาการทหารอากาศ ได้มาทำพิธีเปิดพิพิธภัณฑ์ของกองทัพอากาศ เป็นทางการ เมื่อวันที่ 27 มีนาคม 2502

พิพิธภัณฑ์ของกองทัพอากาศ ได้รับความสนใจ
กิจการพิพิธภัณฑ์ของกองทัพอากาศได้เจริญขึ้นตามลำดับ ได้มีผู้สนใจเข้าชมเป็นจำนวนมากโดยเฉพาะในวันสำคัญของทางราชการ เช่น วันเด็ก วันกองทัพไทย วันแสดงกิจการบิน กองทัพอากาศ ได้เปิดพิพิธภัณฑ์ให้ประชาชนเข้าชม ปรากฏว่าได้รับความสนใจทั้งชาวไทยและชาวต่างประเทศ นับว่าได้ผลสมความมุ่งหมายของทางราชการเป็นอย่างยิ่ง

พิพิธภัณฑ์ของกองทัพอากาศ นอกจากเป็นที่รวบรวมพัสดุพิพิธภัณฑ์อันหาค่าเปรียบมิได้ในทางประวัติศาสตร์แล้ว ยังได้มีโอกาสอันสำคัญในการช่วย เชื่อมสัมพันธไมตรีกับต่างประเทศ กล่าวคือ ในโอกาสที่พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัว และสมเด็จพระนางเจ้าพระบรมราชินีนาถ เสด็จเยือนประเทศ สหรัฐอเมริกา พร้อมด้วยสมเด็จพระเจ้าลูกยาเธอ เมื่อปี พ.ศ. 2503 นั้น สมเด็จพระเจ้าลูกยาเธอเจ้าฟ้า วชิราลงกรณ์ (สมเด็จพระบรมโอรสาธิราช เจ้าฟ้ามหาวชิราลงกรณ์) ได้เสด็จพระราชดำเนินทอดพระเนตรเครื่องบินเมืองแคลร์มอนต์ รัฐแคลิฟอร์เนีย หัวหน้าพนักงานผู้รักษาพิพิธภัณฑ์แห่งนั้น ได้ทูลเกล้า ฯ ถวายพระบรมฉายาลักษณ์และสมุดภาพเครื่องบินต่าง ๆ พร้อมกับทูลขอพระราชทานเครื่องบินแบบ สปิตไฟร์ ซึ่งกองทัพอากาศไทย เคยมีไว้ประจำการ ไปไว้ในพิพิธภัณฑ์เมืองแคลร์มอนต์ เนื่องจากได้ทราบว่ามีเครื่องบินชนิดนี้เก็บไว้ที่จังหวัดต่าง ๆ ในประเทศไทยหลายแห่ง สำนักเลขาธิการได้ติดต่อผ่านกระทรวงกลาโหม สอบถามมายังกองทัพอากาศว่ามีพอจัดให้ได้หรือไม่ กองทัพอากาศแจ้งไปว่าเครื่องแบบนี้ได้ปลด ประจำการแล้ว มีเก็บไว้ที่พิพิธภัณฑ์ของกองทัพอากาศ พร้อมที่จะมอบให้ 1 เครื่อง เป็นชนิดไม่ติดอาวุธและอยู่ในสภาพเรียบร้อย การอนุมัติอยู่ใน อำนาจรัฐมนตรีว่าการกระทรวงกลาโหม ซึ่งได้อนุมัติและนำทูลเกล้าถวายเพื่อพระราชทานแก่พิพิธภัณฑ์เครื่องบินเมืองแคลร์มอนต์ต่อไป นับว่า ได้สนองฝ่าละอองธุรีพระบาทล้นเกล้าล้นกระหม่อม ในการเผยแพร่เกียรติคุณ และขื่อเสียงของชาติไทยในต่างแดนอีกด้วย

การพัฒนาพิพิธภัณฑ์ของกองทัพอากาศ พ.ศ. 2505
ในปี พ.ศ. 2505 กองทัพอากาศได้มีคำสั่งกองทัพอากาศ (เฉพาะ) ที่ 113/05 ลงวันที่ 27 กันยายน 2505 เรื่อง แต่งตั้งคณะกรรมการปรับปรุงและขยายกิจการพิพิธภัณฑ์ ทอ.(พล.อ.อ.บุญชู จันทรุเบกษา เป็นผู้บัญชาการทหารอากาศ) ต่อจากกรรมการชุดก่อน คณะกรรมการตามคำสั่งนี้ประกอบด้วย

1. จก.ยศ.ทอ. เป็นประธานกรรมการ
2. จก.ส.ทอ. เป็นกรรมการ
3. จก.สพ.ทอ. เป็นกรรมการ
4. จก.พธ.ทอ. เป็นกรรมการ
5. จก.ชย.ทอ. เป็นกรรมการ
6. จก.สบ.ทอ. เป็นกรรมการ
7. รอง จก.ชอ. เป็นกรรมการ
8. พล.อ.ต.สดับ ธีระบุตร เป็นกรรมการ
9. พล.อ.ต.ชูศักดิ์ ชุติวงศ์ เป็นกรรมการ
10. หก.สม.สบ.ทอ. เป็นกรรมการและเลขานุการ
โดยให้ ผช.เสธ.ทอ.ฝ่ายยุทธบริการ เป็นที่ปรึกษาของคณะกรรมการ คณะกรรมการชุดใหม่นี้ มีหน้าที่ดำเนินการเกี่ยวกับพิพิธภัณฑ์ ในหลักใหญ่ 2 ประการ คือ

1. วางแผนและดำเนินการทั้งปวงในอันที่จะปรับปรุงและขยายกิจการพิพิธภัณฑ์ของกองทัพอากาศ ให้เหมาะสมและทันสมัย
2. จัดหายุทธภัณฑ์ สันติภัณฑ์ทุกประเภท ตามลำดับตั้งแต่ต้นจนถึงปัจจุบัน และอื่น ๆ ตามที่คณะกรรมการเห็นสมควร
สถานที่เก็บรักษาและตั้งแสดงคงใช้โรงงานการซ่อม ชอ.ตามเดิม ต่อมาในปี 2509 ได้ รับมอบอาคารเพิ่มเติมอีก 4 หลัง ซึ่งอยู่บริเวณเดียวกัน

สถานที่อาคารพิพิธภัณฑ์หลังใหม่ พ.ศ. 2512
ด้วยกองทัพอากาศมีความจำเป็นต้องมอบพื้นที่บริเวณที่ตั้งอาคารพิพิธภัณฑ์เดิม (โรงงานกรมช่างอากาศที่ 3) ให้ใช้ประโยชน์ในกิจการบิน พาณิชย์ กองทัพอากาศจึงได้พิจารณาสร้างอาคาร พิพิธภัณฑ์ใหม่ ตั้งอยู่ด้านขวาของถนนพหลโยธิน (เมื่อเดินทางเข้ากรุงเทพ ฯ) ห่างจากกรุงเทพ ฯ (อนุสาวรีย์ชัยสมรภูมิ) ประมาณ 24 กิโลเมตร และเยื้องกับโรงเรียนนายเรืออากาศ ได้เริ่มสร้างเมื่อ วันที่ 26 มีนาคม 2511 แล้วเสร็จเมื่อ วันที่ 15 พฤศจิกายน 2511 สิ้นค่าก่อสร้างเป็นเงิน 6,635,000.- บาท (หกล้านหกแสนสามหมื่นห้าพันบาทถ้วน) และได้ทำพิธีเปิดเป็นทางการเมื่อวันที่ 29 มกราคม 2512 ได้เปิดให้ผู้สนใจเข้าชมตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา