所謂空中加油機，就是一種特殊的運輸機，能夠裝在大量燃油，並在空中給正在飛行的飛機（包括直升機）補充油料。
飛機從誕生以來，就被軍事家們所看重。但飛機一次航行的里程和時間取決於其燃油多少。汽車或船隻燃料耗盡可以停下來等待加油，飛機一沒油就得掉下來，所以對燃料更加看重。如果每次都必須回到地面上補充燃料，不但浪費時間，而且受制於場所。此外，如果是裝在炸彈的轟炸機，帶彈降落還有發生爆炸的危險。這種情況，空中加油機就應運而生了。
最早的一次空中加油，如同飛機一樣，都是在美國誕生的。1921年，美國人威利·梅伊把裝有5加侖航空汽油的罐子綁在背上，從一架林肯型飛機的機翼上，爬到另一架飛行的JN－24型珍妮飛機的機翼，然後將油罐中的航空汽油倒進發動機燃料箱。當然，這完全就空中雜技表演。
飛機對飛機的加油首次發生在1923年，在美國加利福利亞，兩架飛機在空中編隊飛行，一上一下，雙機距離保持不變。上面的飛機垂下一根10多米長的軟管，下面飛機上一個乘員站在座艙裡，伸手捉住軟管，插迸自己飛機的油箱。然後，燃油沿著軟管，注入下面飛機的油箱。
這種空中加油全靠人用手捏軟管，非常不穩定，操作難度大，也沒有
什麼實用價值。但以此為契機，各國開始研究專門的空中加油設備，並用載重量大的轟炸機或運輸機改裝成空中加油機。在加油的時候，首先兩機必須一前一後飛行，保持速度一致，相對距離不變，加油機在前，受油機在後。然後，加油機慢慢放出加油管，受油機“頂上去”，與加油管建立連接，然後輸送燃油。空中加油設備的加油管，主要分為軟管和硬管兩種。
1933年，蘇聯一架TB－1式轟炸機採用A.H.扎帕諾萬內研製的加油設備，給一架P－5偵察機進行了空中加油。1934年，美國也研製出了空中加油設備。在第二次世界大戰期間，空中加油技術開始用於實戰。40年代中期，英國研製出較為成熟的軟管和插頭錐套設備。1948年，美國空軍將英國研製的加油設備安裝在自己的KB-29和KB-50加油機上。1949年3月2日，美國的B－50轟炸機飛行37532公里，完成環球一週，途中經過KB－29M加油機的4次空中加油。
50年代初，美國研製出更先進加油設備——硬管式（伸縮套管式）。相對於輕飄飄的軟管，這種加油設備更加穩定，但同時對兩架飛機的同步要求也更高。不久蘇聯也研製出類似的加油設備。空中加油技術得到了進一步提高。1957年，美軍5架B－52戰略轟炸機實現了40多個小時的環球飛行，為此共出動了98架KC－97加油機為其加油。
空中加油機大部分是由運輸機和轟炸機改裝而成，優勢是載重量大，裝的都，補給能力強，少部分由殲擊機改裝而成，優勢是機動靈活，用來給同型號的殲擊機加油更方便。
加油機的加油設備，按照位置一般有“加油平臺”和“加油吊艙”兩種。“加油平臺”是裝在機身尾部，“加油吊艙”則是懸掛在機翼下面。按照連接器的形態，則有軟管和硬管兩種。
現代的軟管式空中加油設備在40年代末由英國率先研發出來，包括一條20多米長的軟管，用絞盤收放，盡頭上則是一個漏斗式的浮錨。受油機則需要在機頭或者機翼前面裝一根受油管。加油的時候，加油機把軟管用絞盤放出飛機外，收油機把自己飛機的受油管插進漏斗裡面，兩者實現密封連通，然後就可以開始輸送燃油。等充好後，受油機減速，插頭和漏斗自動脫離，兩架飛機分開。
軟管加油設備的好處首先是結構非常簡單，其次一架加油機可以同時放出幾根軟管，給幾架戰機加油，即使兩者的運動存在一些偏差，軟管的彈性也能保證連接安全。缺點則是插頭要插進軟管，對飛行員比較困難；在遭受大氣亂流時更難銜接上。同時因為軟管本身承受力有限，加油的速度較慢，大約每分鐘能輸1噸多燃油。如果遇上耗油量較大的飛機，需要加油比較長的時間。目前採用軟管的加油機有S-3B、KC-130、707-200等。
硬管加油機略晚於軟管，於 1949 年 12 月開始使用。加油機的硬管是可伸縮的剛性伸縮管（稱為加油桁杆），平時收起，加油時伸出，可以在一定範圍內上下和水平轉動角度，由專職的加油人員操作。加油時，加油機先伸出桁杆，然後受油飛機跟上，使得兩機之間距離很近。這時候，受油飛機不動，由加油操作員控制加油桁杆伸縮和轉動，使之與受油機上的受油管銜接。
可以看出，硬管加油和軟管加油最大的改進，不是受油機去追逐晃動搖擺的加油軟管，而是專人操作加油管去插入受油機。這顯然比飛機追飛機更容易精確操作。
此外還有“軟硬兼顧”的混合式，如美國空軍的 KC-135 系列，其在加油桁杆的尾端，又發展了一套漏斗式軟管設備。這樣，能同時為裝有兩種受油器的飛機進行加油。
冷戰時期，空中加油技術逐漸成熟後，在實戰中得到普遍的應用。俗話說兵馬未動，糧草先行，對空軍而言，燃油就是最重要的糧草。依靠加油機的補充，可以輕易延長戰鬥機的航程和空中停留時間，甚至實現戰術迂迴，向敵人發動奇襲。
1967年的第三次中東戰爭，以色列偷襲位埃及。他們的戰機起飛後，不是並不直接向西南方向攻入埃及東部，而是大幅度向西，先穿過地中海，經空中加油後，繞到埃及的西部，再從背後殺入埃及，一舉擊毀埃及機場的400多架飛機。
六十年代的越南戰爭中，美軍面對狹長的越南領土，多次展開長距離空襲。近十年中，美軍172架KC－135加油機一共飛行194687架次，進行空中加油813878次，為戰鬥機、轟炸機加燃油410萬噸。
1982年的馬島戰爭最後年，英阿兩軍都採用空中加油機擴大己方空軍的作戰半徑。英國不遠萬里參戰，為了保證制空權，除了採用航母運載部分艦載機外，加油機實施的接力非常重要。其“火神”式轟炸機從大西洋的基地起飛，經過空中加油後襲擊了5000公里外的馬島機場。阿根廷的“超級軍旗”飛機也是在空中加油後擊沉了英國“謝菲爾德號”導彈驅逐艦和“大西洋運輸者”集裝箱船。
1986年，美國向利比亞的卡扎菲實行轟炸， F─111戰鬥轟炸機從英國的基地起飛，由29架加油機對編隊進行8次空中加油後，繞道7000多公里突襲，一舉摧毀了利比亞的蘇制導彈基地。
1991年海灣戰爭中，美軍投入數千架飛機對伊拉克狂轟濫炸，為保障共動用加油機308架，共完成5萬餘次空中加油任務。
1999年科索沃戰爭中，北約出動的240架空中加油機，共實施了1．4萬次空中加油。
新世紀的戰爭中，無論是阿富汗戰爭、伊拉克戰爭還是敘利亞戰爭，美軍“海外遠程打擊”的能力更被重視，空中加油機也就理所當然成為不可或缺的空中補給點。
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