发展C-17的时间是美国迄今为止历时最久的飞机研制计划,从1981年麦道公司赢得发展合约到1995年完成全部的飞行测试,一共耗时14年;在发展经费方面,它是美国有史以来耗资第三大的军机,排前两位的是B-2隐形轰炸机和E-3空中预警机。
20世纪80年代以前,美国空军的运输体系是由C-5“银河”、C-141“运输星”和C-130“大力神”构成的。在执行全球空运任务的时候,首先由C-5负责洲际间的远程战略空运,随后转由C-141运输到战场的后方基地,最后转由C-130最终运输到前线。
1980年2月,美国空军提出了C-X重型运输机的需求草案,新的运输机将同时担负起战略运输任务。需求中说明新运输机必需和C-130一样具备短场起降能力;飞机必须可运载美国陆军和海军陆战队所有装备,包括AH-64阿帕奇武装直升机和M1艾布兰主战坦克。
波音、洛克希德和麦道公司都提出了C-X的设计方案,波音的设计构型是三发动机运输机,洛克希德设计的外型则很类似C-141。1981年8月28日,美国空军宣布最后的决定中选的是麦道公司。同年9月,落榜的洛克希德公司提议重新生产44架C-5B银河,不但交机时间快,也比C-17便宜,这个想法获得参议院武装部队委员会主席的支持。1982年,美国空军采购了50架重新生产的C-5B,和60架麦道KC-10A加长型双用途加油/运输机,同时为了安慰麦道,空军也拨出部分款项以提前开始C-X的设计工作,并赋予编号为C-17。