A repülés és a repülőgépek fejlődésével katonai alkalmazásuk is előtérbe került. A brit hadsereg 1912 tavaszán alakította meg a Királyi Repülő Hadtestet (RFC - Royal Flying Corps) 36 repülőgéppel és 12 katonai léggömbbel, emellett központi repülőiskolát és repülőgépgyárat is létrehoztak. Az RFC első halálos légi balesete nem sokkal megalakulása után, 1912. július 5-én következett be. A haditengerészet eltérő prioritásai (és a szárazföldi erőkkel való hagyományos versengése) miatt elérte egy különálló szervezet létrehozását, így született meg 1914. július 1-jén az RFC tengerészeti repülőosztályából a Királyi Tengerészeti Repülő Szolgálat (RNAS - Royal Naval Air Service).
1914. július 28-án kitört az első világháború, Nagy-Britannia Franciaország szövetségeseként hadat üzent Németországnak és az Osztrák-Magyar Monarchiának. Az akkor már csaknem 180 repülőgépet számláló RFC négy századot küldött a francia frontra, ezek a légi ütközetek és a bombázások mellett felderítő akciókban is részt vettek. A nehézkes gépek és a hadvezetés agresszív stratégiája rendkívül súlyos veszteségeket eredményezett, a négy háborús év során csaknem tízezer, az RFC-ben szolgáló ember halt meg vagy tűnt el.
A sikeres bevetések nyomán merült fel a dinamikusan növekvő légierő jövője, és végül az a döntés született, hogy az RFC és RNAS egyesítésével önálló fegyvernemet hoznak létre, a repülésügyi miniszter vezetése alatt. A Királyi Légierő 1918. április 1-jén jött létre harmadik haderőnemként a brit haditengerészet és hadsereg mellett. Az 1914-ben még alig kétezer fős RAF az egyesüléskor (a háborús erőfeszítések csúcspontján) 300 ezres személyzettel és 20 ezer repülőgéppel rendelkezett, és így a világ leghatalmasabb légierejének számított.
A háború befejeződése után a katonai kiadásokat visszavágták. A 35 ezer fősre csökkentett RAF fő feladata a gyarmatok védelme lett, először 1920-ban szomáliai lázadók ellen vetették be. Ugyanebben az évben alapítottak Cranwellben a hivatásos tisztek kiképzésére kadétiskolát, a RAF törzskari iskolája 1922-ben nyílt meg Andoverben.
A második világháború kitörésekor, 1939 szeptemberében a Királyi Légierőnek, amelynek első vonalbeli ereje 2000 repülőgépet számlált, a nyomasztó túlerőben lévő Luftwafféval, a német Harmadik Birodalom légierejével kellett szembenéznie. A Nagy-Britannia ellen 1940 júliusában megindult német légitámadások célja a szigetország elleni szárazföldi invázió, az Oroszlánfóka hadművelet (Unternehmen Seelöwe) előkészítése volt. A Luftwaffe parancsnoka, Göring arról biztosította Hitlert, hogy egy hónapon belül megsemmisíti a brit légierőt, de csalatkoznia kellett.
A RAF rendkívül hősiesen küzdött, igaz, főként az első időszakban iszonyatos veszteségeket szenvedett. A pilótahiány miatt önkénteseket képeztek ki, nemegyszer néhány nap alatt, köztük sok volt a külföldi (két lengyel és egy cseh vadászrepülő-századot is felállítottak.) A brit gyárakat 1940 júniusa és szeptembere között 1900 új vadászrepülő hagyta el, a megrongált légi bázisok helyett szükségrepülőtereket alakítottak ki. Egy pilótának öt ellenséges gépet kellett leszednie ahhoz, hogy megkapja az "ász" minősítést, ez 188-nak - nyolc százalékuknak - sikerült. Számos olyan esetet jegyeztek fel, hogy a támaszpontjuk közelében lezuhant pilóták azon nyomban egy másik géphez rohantak, hogy újból felszállhassanak harcolni.
A RAF mégis az összeomlás szélén állt, amikor a németek taktikát váltottak, a gyárak és támaszpontok helyett a városokat kezdték bombázni, ami még nagyobb elszántságra és ellenállásra ösztönözte az angolokat. A levegőhöz jutott RAF kitartott, és 1940 októberétől ritkultak a német bombázások. Az invázió elmaradt, Nagy-Britannia megtartotta ellenőrzését légtere felett. A sikerhez a radarok használata, a német rejtjelrendszer megfejtése is számottevően hozzájárult. A britek mintegy 1500, a németek 2500 pilótát veszítettek az elhúzódó légi csata során, a bombázások során több mint 40 ezer civil is meghalt. Churchill ezekkel a szavakkal mondott köszönetet a légierőnek: soha nem köszönhettek még "ilyen sokan ilyen sokat ilyen keveseknek".
1945-ben, a háború befejeztével a légierő összlétszámát mintegy 150 ezer főre csökkentették, nagyjából ezt a létszámot őrizték meg az 1980-as évek végéig. A következő évtizedben a londoni kormány egy rugalmas, gyorsan mozgósítható hadsereg kialakítását tűzte ki célul, a stratégiai védelmi felülvizsgálat nyomán a hadsereg valamennyi haderőnemének részvételével egyesített, gyorsan bevethető erőket alakítottak ki. Az átszervezés során a légierő több mint ötven esztendeje Németországban állomásozó erőit kivonták, három történelmi egységet megszüntettek, a haditengerészet és a légierő létrehozta saját új, egyesített erőit.
A Királyi Légierő alakulatai az elmúlt évtizedekben számos konfliktusban (Falkland-szigeteki háború, Öbölháború, délszláv háború) vettek részt, de humanitárius tevékenységet is folytatnak. 2015-ben az Iszlám Állam elleni szíriai nemzetközi hadműveletekbe kapcsolódtak be.
