1960年代日本（日语：1960年代の日本），日本关西地方的航空需求逐渐扩大，由于大阪既有的大阪国际机场（伊丹机场）缺乏腹地扩建，兴建“关西第二机场”的呼声孕育而生[3]。1963年，日本首相府内近畿圈整备本部提出的“大阪国际机场扩张整备与第二国际机场建设”计画获得内阁会议通过。由于大阪周边用地吃紧，日本政府决定以填海造地修建机场，并从大阪南港近海、神户近海、明石近海、淡路岛、泉州（日语：和泉）近海等5个预定地中选出泉州近海为场址。经过5年的填海工程，用了1.8亿立方米的土方，在原先水深达17至18米的大阪湾水域从无至有填出了5.11平方千米的机场用地。
机场第一期工程建有一条3500米长的跑道，航站楼主要由意大利建筑师伦佐·皮亚诺（Renzo Piano）和日本建筑师冈部宪明（日语：岡部憲明）设计，另外还有其多位著名的建筑师、工程师参与设计，并由青木建设负责填海工程，采用玻璃和金属的高科技派建筑风格，长度达1.5公里。启用后，承接了伊丹机场所有的国际线航班。
机场快速铁路可以把乘客直接从机场送到大阪市内。机场的建设费用达1.45兆日圆，当时约合200亿美元。机场刚建成时，引来建筑界和工程界无数赞誉，美国土木工程师协会甚至称其为“新世纪的丰碑”。除了机场本身外，另在机场岛上兴建关西国际机场发电中心，专供机场的用电需求。
但由于大阪湾海底的地质条件不佳，是很厚的淤泥，机场建在水深18米的软地层上，从建设之日起就一直在不停的沉降之中，目前机场所在的人工岛已经下陷了十多厘米；加上跑道海拔高度只有5米，与启用之初比较已下沉超过3米，在遇到极端天候时或因全球暖化机场可能将陷入被水淹没的风险中[4][5]。从机场营业之初，营运单位就不得不花费2,700亿日元用于维修和在地下室内建造一堵水泥墙以防海水渗入，又进行护岸加高工程和强化排水功能等[4]，但是这些困难并没有阻止营运单位继续建设的信心。为了应付日益增加的航空交通，关西机场于1996年开始第二期工程，透过填海把人工岛面积扩大到1,300公顷，以兴建第二条跑道及第二航站楼。目前机场第二条4,000米长的跑道（6L/24R跑道）已经于2007年8月2日开始运作，为日本第二条有4,000米长的跑道，原有的3,500米跑道（6R/24L跑道）成为副跑道。
2012年10月28日，第二航厦启用，为日本首座专供廉航使用的航厦[6]。航厦面积约为30,000平方米，内部设计简单，采用单层式的开放式设计，共有9个飞机泊位，不设空桥。
关西国际机场最初的建设与运作，最初是由日本中央与地方政府共同出资于1984年10月1日设立的“关西国际机场株式会社”（通称“旧关空会社”）负责。为了统合关空、伊丹这两座大阪联外机场的管理工作，日本政府在2012年4月1日成立特殊会社（日语：特殊会社）“新关西国际机场株式会社（日语：新関西国際空港）”（简称“新关空会社”或NKIAC）来接手营运，原有的关西国际空港株式会社则改组为“关西国际机场土地保有（日语：関西国際空港土地保有）”，保有关西国际机场的土地所有权，日本政府持有的旧关空会社股份则由新关空会社承接。至2016年4月1日，新关空会社再将关空、伊丹两座机场的大部分业务统一委外由民间企业合资成立的“关西Airport株式会社（日语：関西エアポート）”承接，新关空会社则维持对这两座机场的所有权。
2018年，关西国际机场因台风燕子导致场区大规模淹水。
2018年9月4日，因受台风飞燕影响，机场遭遇启用24年以来最严重的损害，跑道及机坪被倒灌海水淹没[7]，机场连络桥的南侧公路车道则被漂流的液货船撞击毁损，导致机场对外交通中断，约3000名乘客一度被迫滞留机场[8]。直到5日早上，在检查确认北侧车道未受损后，以巴士将受困者从机场疏运[9]，另外在海象稳定后，也以高速船载运受困者前往神户机场[10]。9月7日上午起，国内线一部份班次使用受损较少的第二航厦及B跑道恢复起降[11]。但第一航厦及A跑道受损较严重，国际线航班仅乐桃航空、日航以及全日空共用第二航厦于9月8日起部份重开[12]，在抢修期间，其他航空公司重开日期尚未决定，大阪府知事松井一郎希望能暂以神户机场及伊丹机场让国际线航班起降[13]。连络机场的铁路于9月18日清晨起恢复运行[14]。经过17天的抢修，关西机场第一航厦及A跑道于9月21日起恢复运作，班机可正常起降[15]。