พุทธศักราช ๒๕๒๐

กรมควบคุมการปฏิบัติทางอากาศ จัดตั้งขึ้นเมื่อ ๑ ตุลาคม ๒๕๒๐ ตามพระราชกฤษฎีกา การแบ่งส่วนราชการ และกำหนดหน้าที่ส่วนราชการ  กองทัพอากาศ กองบัญชาการทหารสูงสุด กระทรวงกลาโหม ลงวันที่ ๓ สิงหาคม ๒๕๒๐ ซึ่ง พระราชกฤษฎีกาฉบับนี้ได้ยกเลิกกองบินยุทธการ (บย.) ซึ่งเดิมเป็นส่วนกำลังรบประกอบด้วย กองบิน, หน่วยบินยุทธวิธี, หน่วยในระบบควบคุมทางยุทธวิธี และหน่วยในระบบป้องกันทางอากาศ โดยมี พลอากาศเอก คำรณ ลีละสิริ เป็นผู้บัญชาการ กองบินยุทธการคนสุดท้าย

พุทธศักราช ๒๕๓๙

ดังนั้น กองทัพอากาศจึงได้จัดให้กรมควบคุมการปฏิบัติทางอากาศ เป็นหน่วยขึ้นตรงต่อ กองบัญชาการยุทธทางอากาศ นับตั้งแต่ ๑ ตุลาคม ๒๕๓๙

พุทธศักราช ๒๕๕๒
จนถึง พุทธศักราช ๒๕๕๒ กองทัพอากาศได้มีการจัดส่วนราชการขึ้นใหม่ ตามพระราชกฤษฎีกาการแบ่งส่วนราชการ และกำหนดหน้าที่ส่วนราชการกองทัพอากาศ กองบัญชาการทหารสูงสุด กระทรวงกลาโหม พุทธศักราช ๒๕๕๒ ให้ กรมควบคุมการปฏิบัติทางอากาศ เป็นหน่วยขึ้นตรง กองทัพอากาศ ซึ่งมีหน้าที่ เตรียมกำลัง ทางอากาศ กำลังภาคพื้น และระบบควบคุมการปฏิบัติทางอากาศ ของกองทัพอากาศให้พร้อมปฏิบัติการตามที่กองทัพอากาศกำหนด นับตั้งแต่ ๑ เมษายน ๒๕๕๒ เป็นต้นมา

พุทธศักราช ๒๕๖๕

ปัจจุบันได้มีการปรับปรุงแก้ไขอัตรา ทอ. พุทธศักราช ๒๕๕๒ ให้มีความเหมาะสมยิ่งขึ้น มุ่งหมายเพื่อยกระดับการบัญชาการและควบคุมในระบบการใช้กำลังกองทัพอากาศทั้งระบบ เพิ่มขีดความสามารถการบัญชาการและควบคุมให้มีขีดความสามารถการปฏิบัติการตลอดเวลาทุกวัน (๒๔/๗) และครอบคลุมมิติการปฏิบัติการของกองทัพอากาศ ทั้ง ๓ มิติ ได้แก่ มิติทางอากาศ ทางอวกาศ และทางไซเบอร์ รองรับภารกิจการปฏิบัติการทางทหารทั้งที่เป็นการรบและมิใช่การรบ รวมถึงการสนับสนุนภารกิจอื่นของรัฐในการพัฒนาประเทศ การบรรเทาสาธารณภัยและช่วยเหลือประชาชน โดยปรับจาก "กรมควบคุมการปฏิบัติทางอากาศ" เป็น "กองบัญชาการควบคุมการปฏิบัติทางอากาศ" นับตั้งแต่ ๒๐ สิงหาคม ๒๕๖๕ เป็นต้นไป