Militæraktiviteten på Værnes startet i 1887 da hæren kjøpte Værnes gård og konverterte den til en militærforlegning. Den 26. mars 1914 lettet det første flyet, en militær Maurice Farman MF-7 «Longhorn» med navnet «Olav Tryggvessøn». De første tre permanente flyene ble stasjonert her i 1919, i 1920 ble den første hangaren bygd, og i 1922 ble radioutstyr installert.
Under andre verdenskrig okkuperte den tyske invasjonsstyrken Værnes den 10. april1940 under liten motstand. De tyske styrkene organiserte, ved hjelp av lokale myndigheter og norsk mannskap, umiddelbart arbeidene med å utbedre flyplassen, og innen noen få uker hadde de bygd en ny rullebane til bruk i felttoget i Nord-Norge. Innen 1942 hadde de konstruert tre betongrullebaner, den lengste var 1 620 meter, i tillegg til flere hangarer, bunkere og luftvernstillinger, totalt mer enn 100 bygninger. Et tyvetalls førkristne gravhauger ble fjernet for å gi plass til utvidelsene.[4] På det meste var det stasjonert 2 000 tyske soldater og 2 000 norske arbeidere på Værnes under andre verdenskrig.
Etter at tyskerne kapitulerte 8. mai 1945 ble flyplassen først overtatt av Royal Air Force og deretter av det norske Luftforsvaret. Flere skadroner, deriblant 332, 331 og 337, var stasjonert på Værnes i etterkrigsårene. I 1952 ble Luftforsvarets flygeskole flyttet til Værnes. I 1954, da Ørland hovedflystasjon var ferdig, ble mesteparten av Luftforsvarets aktivitet flyttet dit.
I 2017 ble det laget en prøveordning med rotasjonsbasert øving og trening i Norge for om lag 330 amerikanske marinesoldater fra United States Marine Corps (USMC). Denne ordningen er en bilateral avtale mellom Norge og USA. Den ble i juni 2017 forlenget til å vare ut 2018.[5]
