1903年，美国莱特兄弟发明飞机不久，飞机便被用于军事目的。最初，飞机在军事上仅仅是用作侦察敌情。1911年11月1日，意大利的加福蒂中尉驾驶一架“朗派乐-道比”单翼机向驻扎在利比亚的土耳其军队投掷了4枚重约2千克的炸弹。这是世界上第一次空中轰炸，而加福蒂中尉驾驶的“朗派乐-道比”飞机也成了名义上的世界上第一架轰炸机。和现代轰炸机相比，早期的轰炸机十分简陋，仅仅依靠飞行员用手向地面目标投掷炸弹，轰炸效果可想而知。
1913年2月25日，俄国人伊格尔·西科尔斯基设计出世界上第一架专用轰炸机并试飞成功。这架被命名为“伊里亚·穆罗梅茨”的轰炸机装有8挺机枪，最多可载弹800千克，机身内有炸弹舱，并首次采用电动投弹器、轰炸瞄准具、驾驶和领航仪表。1914年12月，俄国用“伊里亚·穆罗梅茨”飞机组建了世界第一支重型轰炸机部队，并于1915年2月15日首次空袭波兰境内的德军目标。第一次世界大战期间，轰炸机得到迅速发展和广泛的使用。当时轰炸机的飞行速度不到200千米/小时，载弹量1吨左右，多为双翼机。
轰炸机在第二次世界大战中得到了很大的发展，装有4台发动机的重型轰炸机是轰炸机发展到新阶段的标志，载弹量可达8～9吨，航程为2600～7000千米，其中尤以美国的B-29最为超群。B-29也是投向日本广岛、长崎的两颗原子弹的载机。在第二次世界大战期间，出现了一种新型的喷气式轰炸机，即德国梅塞施米特公司研制的Me-262型喷气式轰炸机和德国阿拉多公司研制的Ar-234型喷气式轰炸机。Me-262和Ar-234轰炸机是最早的、也是第二次世界大战中仅有的两种喷气式轰炸机。
20世纪50年代初，美国的F-80飞机既承担空战任务，又承担对地面目标的轰炸任务，成为“战斗轰炸机”。1955年，美国专门设计制造了第一种战斗轰炸机——F-105“雷公”式战斗轰炸机，它能同时执行空战和轰炸任务。1956年11月，美国超高速战略轰炸机B-52试飞成功，它的最高速度为2100千米/小时，超过音速两倍，载弹量大，达50吨以上。苏联则研制成功了图-26“逆火”式超高速大型战略轰炸机。20世纪80年代初，美国洛克希德公司秘密研制出可隐身的F-117战术轰炸机。F-117整个机身表面几乎全部由多个小平面拼装而成，可将雷达波以各种角度散射，不能形成有效的回波；机身还采用了大量的隐身涂料，使得F-117基本上不会被雷达和红外线探测装置所发现。
美国空军和诺斯罗普公司还研制成功另一种“隐身”战略轰炸机B-2，其机身、机翼、发动机融为一体，既无水平尾翼，也无垂直尾翼，它的航程达1.2万千米，载弹量达34吨，造价高达5.7亿美元，堪称世界之最。
