美国海军根据太平洋海空战的经验教训，为了及时发现利用舰载雷达盲区接近舰队的敌机，试验将警戒雷达装在飞机上，利用飞机的飞行高度，缩小雷达盲区，扩大探测距离，于是便把当时最先进的雷达搬上了小型的TBM—3W飞机，改装成世界上第一架空中预警机试验机AD—3W“复仇者”，它于1944年首次试飞。
后来，美国和英国又研制试验了几种预警机，但它们由于雷达功能单一、下视能力和目标分辨能力差等技术难题未解决，所以难以达到实际使用的要求。
20世纪50年代
美国继续预警机的研制工作，将新型雷达安装在C—1A小型运输机上，改装成XTF—1W早期预警机，于1956年12月17日前次试飞，后来又经改进，装上新型电子设备，在1958年3月3日试飞成功，正式定名为E—1B“跟踪者”式舰载预警机，1960年1月20日正式装备美国海军。
E—1B是世界上第一次实用的预警机，它初步具备了探测，海上和空中目标、识别敌我、引导己方飞机攻击敌方目标的能力。它的雷达探测距离为200千米，可同时引导20~30架己方飞机进行攻击。
但E—1B机载雷达的分辨能力还不很强，雷达数据不能传输给航空母舰的指挥中心，而且引导能力也有限，一艘航空母舰载飞机60~90架，若同时升空，就需2~4架预警机进行引导，否则很容易造成混乱。
20世纪70年代
脉冲多普勒雷达技术和机载动目标显示技术的进步，使预警机在陆地和海洋上空具备了良好的下视能力；三坐标雷达（可同时测定目标的方位、距离和高度）和电子计算机的应用，使预警机的功能由警戒发展到可同时对多批目标实施指挥引导。于是便诞生了新一代预警机，其代表是美海军的E—2C“鹰眼”和美空军的E—3A“望楼”。现代预警机实际上是空中雷达站兼指挥中心，所以它又被称为“空中警戒与控制系统”飞机。
E—2C可探测和判明480千米远的敌机威胁，它至少能同时自动和连续跟踪250个目标，还能同时指挥引导己方飞机对其中30个威胁最大的目标进行截击。
E—3A对低空目标的探测距离达370千米，可同时跟踪约600批目标，引导截击约100批目标。预警机可提高己方战斗机效能60％以上，所以它在现代战争中具有极其重要的作用。
20世纪80年代
1982年4月，在英国与阿根廷之间发生的马尔维纳斯群岛战争中，英国舰队由于未装备预警机，不能及时发现低空袭来的阿根廷飞机，以致遭受重创。同年6月的以色列入侵黎巴嫩战争中，以色列空军使用E—2C预警机引导己方飞机，袭击叙利亚军队驻贝卡谷地的防空导弹阵地，并进行空战。结果叙军19个导弹连被毁，约80架被击落，而以方无一损失。
在1991年的海湾战争中，E—2C和E—3A预警机为以美军为首的多国部队赢得胜利，发挥了重要作用。在美国近年来的多次海空作战行动中，无一不出现预警机的身影。
它进入战争领域的历史并不长，但是由于它能够有效降低敌机低空空防概率，集指挥、情报、通信和控制等系统功能于一身，成为军事领域的新宠。一位军事专家曾说过，“一个国家如果拥有较好的预警机，即使战机数量只有对手的一半，也一样可以赢得战争。”
预警机实际上是把预警雷达及相应的数据处理设备搬到高空，以克服地面预警雷达的盲区，从而有效地扩大整个空间的预警范围。机上一般包括：雷达探测系统，敌我识别系统，电子侦察和通信侦察系统，导航系统，数据处理系统，通信系统，显示和控制系统等。
预警机是二战后发展起来的一个特殊机种。二战期间雷达得到了迅速的发展，使之能有效地探测远距离目标。但是，雷达波是直线传播的，而地球表面却是弯曲的，这就限制了地面雷达的探测范围。要想让雷达探测得更远，就必须增高雷达距离地面的位置。因此，雷达便被架设在高山上。
从70年代以来，美、英、苏先后研制的新一代预警机都安装了性能更好的脉冲多普勒雷达，并装有敌我识别、情报处理和电子对抗等设备，不仅可以及时发现和监视低空入侵目标，还可以指挥己方战斗机进行拦截和攻击，自我保护能力也有了不小的提高。