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1917年，俄国海军飞行员亚历山大·P·德·塞维尔斯基（AlexanderP.deSeversky）提议在飞行中进行空中加油来增加战斗机的航程。塞维尔斯基后来移民美国，成为一名航空工程师，并在1921年申请获得了第一项关于空中加油的技术专利，而后将其出售给了美国陆军航空队（美国空军的前身）。
在第一次世界大战中，塞维尔斯基是俄国海军一名战场经验丰富的王牌飞行员。他在回忆中说，当时他正在驾机护送一架俄罗斯轰炸机，在这架大型飞机的后面和下面飞行，出于无聊或者说好玩，他打开了驾驶舱，伸出手，抓住了轰炸机尾部长长的无线电天线。这让他突发灵感：如果这根天线是一根软管，那么是不是就可以将汽油从一架飞机流向另一架飞机，比如就从轰炸机的油箱流到护航战斗机的油箱，这样就能扩大战斗机的射程，能够为轰炸机全程护航，护卫它飞向目标并返回。
第一次空中加油，一场特技飞行表演
1921年11月12日，韦斯利·梅（WesleyMay）从“林肯”标准双翼飞机上爬上了寇蒂斯“珍妮”JN-4飞机，这就是人类航空史上的第一次空中加油。韦斯利·梅背上的油罐装着5加仑（约30磅/13.6千克重）汽油，他抓住了慢慢接近的寇蒂斯“珍妮”飞机左翼底部的翼下支柱，爬上“珍妮”的下机翼，抓着翼间支柱和线缆，慢慢向“珍妮”机的前副驾驶舱走去。坐定后，他打开了活塞发动机的后面油箱，小心翼翼地将油罐里的汽油倒了进去。
不用说，这显然不是实用化的空中加油技术。毕竟完成这次空中加油的韦斯利·梅，他的身份是技艺熟练的“机翼漫步”特技表演者，这样的“人肉加油”过程于他而言难度尚在能力范围之内，但一般人、战斗机飞行员，显然是无法再成功复制的。另外，这样的空中加油一次只加注了5加侖燃料，属实太少，而且还要靠两机间密切配合、低速慢飞。所以，第一次空中加油，多被评价为一场有“噱头”的特技飞行表演。
有了空中加油，飞机在天上能飞多久？
1923年，美国陆军航空队开始在加州的罗克韦尔机场展开更为实用化的空中加油测试，也就是塞维尔斯基所设想的，从一架飞机上放下软管为另一架飞机加油。试验中两架DH-4B双翼飞机间使用了约15米（50英尺）长的软管和一个快速截止阀，加油机在受油机的上方飞行并放下软管，受油机后座上的人员会抓住软管并将其连接到飞机上。如果加油过程中软管意外脱落，阀门会立即切断流量，防止向受油机及飞行员喷洒燃油。
这样的飞行测试，从“干式加油”到多次加油测试，再到进行飞行耐力测试，直至8月27～28日。DH-4B通过2架同型加油机的9次空中加油，获得了687加仑的汽油和38加仑的机油，也一举创造了当时的飞行距离、速度和持续时间等多方面的16项飞行纪录，其中就包括不着陆飞行了37小时15分钟。不过，因为随后发生了加油软管缠绕机翼、机毁人亡的严重事故，后续的相关加油试验被叫停。
不断刷新的不着陆飞行时长纪录
1929年元旦，一架福克（Fokker）C-2A三引擎飞机飞上了加利福尼亚南部的天空，在飞行了150小时40分钟后于1月7日落地，由此一举创造了当时的不着陆飞行时长纪录（飞行耐力纪录，Flightendurancerecord）。这架机身两侧涂有大大“？”的上单翼飞机，有2个96加仑的机翼内油箱，并在机舱内加装了2个150加仑的油罐。在这次约1.77万千米（1.1万英里）的耐力飞行中，这架涂“？”的飞机通过道格拉斯C-1改装的加油机完成了43次空中加油作业（其中12次是夜间进行），补充了5660加仑燃料。
这样的加油过程，大概每次持续七分半左右，2架飞机相距大约4.5～6米，白天的时候一般选择在610～914米（2000～3000英尺）的高度进行，夜间的加油作业则在1524～2134米（5000～7000英尺）高度之间。在补充燃料的同时，加油机上的机组人员还通过绳索向“？”机传递了食物、水、信件、蓄电池、备件、工具等。另外，因为当时无线电技术的可靠性和重量等关系，加油机和受油机间的通信协调都是通过手电筒、信号板、地面的信号指示物、传递的信件等完成的。
这次150小时40分钟飞行的成功，让美国陆军决定在当年的春季演习中增加“空中加油”这一项，但飞行当日的气象条件不佳，雷暴结冰的天气下，加油机紧急迫降。至此十余年后的时间里，美国军方再无“空中加油”的想法。虽然“？”机并未成为美国陆军航空队应用“空中加油”的开端，但所展现出的空中加油技术可用性，激发了美国民间飞行员们的巨大热情，尝试通过空中加油来一次次刷新不着陆飞行时长的纪录。
从当年5月创造的172小时32分钟新纪录、7月刷新的420小时17分钟，到1930年创造的553小时41分30秒，再到1935年弗雷德·基（FredKey）和阿尔金·基（AlgeneKey）兄弟创造的653小时34分钟新纪录，纪录不断被刷新。而弗雷德·基和阿尔金·基兄弟二人在嘈杂、狭窄、混杂着油味体味的机舱内生活了数周。这27天里他们驾驶的“奥利小姐”（OleMiss）不着陆飞行了约84199千米（52320英里，足够绕地球两圈），消耗了6000加仑汽油和600加仑机油。除了进行了107次燃油补给、438次物资补给外，尤为特别的是，他们要偶尔爬出机舱，站在机头特制的脚手架上维修发动机，如更换火花塞、修理软管、更换机油、清理或更换过滤器等。
空中加油新方式，英国人的发明
在美国人通过空中加油不断刷新飞行纪录时，同时代英法两国的航空界、空军也都在开展类似试验演示，但技术水平都属“半斤八两”，效果差强人意。虽然各国都看到了空中加油对航程拓展的益处，但限于技术的尚不成熟，空中加油依旧被视为笨拙又冒险的特技之举。
亦如移民美国的塞维尔斯基对空中加油技术的早期构想，一战期间的英国空军飞行员艾伦·科巴姆（AlanCobham），作为当时远程飞行的先驱开拓者，同样是一名空中加油技术的“狂热信徒”。他在上世纪20年代远至非洲、澳大利亚等地的长途飞行中就开始萌生通过空中加油来扩大飞机航程的想法。
对比同期美国“？”机上使用的加油设备，1934年英国皇家空军军官理查德·阿切利（RichardAtcherley）提出了更为可行的“交叉”空中加油系统。同年，艾伦·科巴姆开设的飞行加油有限公司（FlightRefuellingLimited，简称FRL）就买断了阿切利的技术专利，并经过一系列的改进和升级后推出了名为“环形软管”（looped-hosesystem）的空中加油系统，这是同年代中第一种实用的空中加油系统。
这套“环形软管”空中加油系统，大部分操作是由加油机上的控制人员来完成的。受油机拖着条线缆直线飞行，加油机会从后面跟进并在这条线缆上方抛射出带有抓钩的线缆，捕获后两条线缆便缠绕到一起。受油机把线缆以及来自加油机的软管卷回舱内，并连接本机上的加油口。在受油机-加油机通过这条约91米长的软管连接起来后，加油机就会爬升到高位，通过自然重力来给受油机加油。
“环形软管”的第一个用户，不是军方
“环形软管”空中加油系统推出后，相关的飞行测试、公开展示等工作一直持续到了1937 年，但也一直未获得用户采购和使用，这是因为当时普遍认为空中加油的用途与价值实属有限。不过，当时的英国航空公司正在通过大型水上飞机来连接疆域辽阔的“日不落帝国”，所以从“商业利益”考虑，航空公司开始对空中加油有了兴致。
在FRL公司的宣传中，“环形软管”将会这样改善航空公司的运营：通过空中加油，水上飞机在到达目的地前所需的起降次数将减少，这将增加飞行的安全性、航程范围、有效载荷，缩短全航程的用时，确保了航班能将要求快速到达的乘客和时敏性贵重物品等（如航空邮件）送抵更遥远的目的地。
FRL公司的“环形软管”空中加油系统在1939年又推出了改进型，并为帝国航空公司的商业航班提供了空中加油服务。该航空公司使用肖特“帝国”水上飞机执飞每周的英格兰南安普敦市与美国纽约市间的航空邮件航班。FRL公司使用两架过时的汉德利·佩奇HP.54“哈罗斯”轰炸机改装为加油机，为肖特S.30的航班提供两次空中加油服务。从1939年8月5日至10月1日间，“帝国”水上飞机横渡大西洋16次，其中15次都使用了FRL公司提供的空中加油服务。而后由于二战的爆发，这样的航班被中断。
二战中没有派上用场的空中加油
“珍珠港事件”后，美国陆军航空队开始研究通过空中加油来完成轰炸日本本土的任务，在引进了FRL公司的“环形软管”空中加油系统后，指定了3套空中加油方案：B-17“空中堡垒”轰炸机从中途岛起飞，将B-24“解放者”作为加油机;从夏威夷起飞B-24，将美国海军的水上飞机改装为加油机;B-17自身拖曳载满燃料的滑翔机，将后者作为加油机。
虽然最终的“空袭东京”是由从“大黄蜂”号航母上起飞的16架B-25轰炸机执行的，但美国人还是继续研究了将B-24D改成加油机为B-17E空中加油。测试表明，通过空中加油能将载弹3吨的B-17的航程增加805千米（500英里）。不过，考虑到工厂对于轰炸机的改装和转产安排不开工期，以及相关人员的培训等问题，这个计划也就没有了后续。到1944年时，美国陆军航空队也曾考虑为B-29“超级空中堡垒”增配“环形软管”空中加油系统的可行性。经估算，B-24加油机的1500加仑油箱仅能给B-29带来1335千米（830英里）的增程，该计划同样搁置。
很快，美军在太平洋战场的战局，就让盟军的轰炸机不再为飞不到日本本土而发愁了。在二战的最后几个月，英国皇家空军超远程轰炸机部队“老虎部队”（TigerForce）的“兰开斯特”和“林肯”等轰炸机打算由改装的加油机来进行空中加油，以转战太平洋战场，执行对日本本土的轰炸任务。只是，还未待这支部队部署，二战就结束了。
第一次不着陆环球飞行
二战后的1948年，正式从美国陆军中独立出来的美国空军，将空中加油作为首要能力目标，再次将英国“环形软管”空中加油系统的应用提上了日程，将B-29轰炸机改装成KB-29M加油机，并且组建了最早的两支空中加油機中队，主要为战略空军司令部（SAC）麾下的B-29、B-50等轰炸机提供空中加油服务。
软管加油与硬管加油
FRL公司很快意识到“环形软管”空中加油系统所存在的多方面不足，着手改进推出了探管- 锥套式空中加油系统（Probe-and-drogue system，也被称为“软管加油”），并最终成为时至今日仍为主流的空中加油方式。
“软管加油”技术也马上被美国空军引进，但美国空军考虑到它的空中加油速度约为每分钟250加仑，按照这个速度为一架B-52 轰炸机加满油需要一个多小时，这是无法接受的。也由此，推动了波音公司在1950 年拿出了飞桁式（flying boom）这种“硬管加油”解决方案。
一条探索过的歧路，翼尖加油
20世纪30年代初，在著名飞机设计师弗拉基米尔· 谢尔盖耶维奇· 瓦赫米斯特罗夫（VladimirSergeyevich Vakhmistrov）的推动下，苏联也开始发展空中加油技术，1932 年进行了与美国陆军航空队早期类似的空中加油试验，同样类似的还有直到战后空中加油才获得苏联空军的认可与明确需求。
瓦赫米斯特罗夫成功完成了对英国“环路软管”空中加油系统的仿制工作，而试飞员伊戈尔·谢莱斯特（IgorShelest）和维克多·瓦夏廷（VictorVasyatin）又在“环路软管”系统基础上开发了独特的翼尖加油系统（wing-to-wingsystem）。相较而言，翼尖加油系统更为简单高效，加油机从其翼尖释放加油软管，不断接近的受油机通过翼尖处的特殊的锁扣来抓住加油软管，而后锁定、建立连接，燃油被泵送。
这种“非常苏式”的空中加油系统在苏联空军中一直使用到了90年代后期。不过，这种翼尖加油系统有着作业难度和风险都很大的天然问题，也只在图-4和图-16轰炸机上使用。50年代，瓦赫米斯特罗夫和团队完成了探针-锥套式空中加油系统的研制。至此，各国的空中加油系统最终形成“软式”和“硬式”两种流派。
另外，与翼尖加油有异曲同工之妙的还有轰炸机与护航战斗机的“翼尖拖曳”（TipTow），二者的“空中手牵手”虽然没有翼尖加油，但也是为了给后者节省燃料（当然也包括理论上还可能变相为轰炸机增加了翼展，进而扩大了航程）。但不论是围绕B-29和B-36轰炸机的翼尖拖曳方案，还是F-84F战斗机挂载在B-36轰炸机机腹中线上的“子母机”，这些美国空军对护航战斗机“增程”的探索与测试，都是航空技术发展史一段特殊时期中的昙花一现。