De luchtvaartgeschiedenis van Chitose begint met een enkele vlucht in 1926, gesponsord door een krant uit Hokkaido, aldus de Engelstalige Wikipedia. De Japanse Keizerlijke Marine nam het vliegveld in 1939 over en gebruikte het gedurende de Pacifische Oorlog. Amerikaanse troepen bezetten het in 1945; de 3e Luchtcommando Groep vloog er in de winter van 1945-1946 en de 49e Jachtvlieggroep van februari 1946 tot april 1948.

De Koreaanse Oorlog en de Koude Oorlog maakten van Chitose een frontliniebasis. De 6163e Luchtmachtbasisvleugel werd in 1951 geactiveerd, het jaar waarin Japan Airlines begon met lijnvluchten naar het vliegveld, en in september 1954 arriveerde de 4e Jachtvliegtuiggroep van de Amerikaanse luchtmacht met F-86 Sabres. De vleugel werd op 1 juli 1957 opgeheven en de basis kwam op 31 december 1957 weer onder Japans bestuur.

De officiële geschiedenis van de Japanse luchtmacht (JASDF) vermeldt dat de 2e Luchtvleugel op 28 april 1958 met de F-86F in paraatheid werd gebracht en dat de luchtmacht datzelfde jaar haar eerste snelle uitruk uitvoerde. Chitose bleef een gezamenlijk civiel-militair vliegveld tot 1988, toen het luchtverkeer verhuisde naar het aangrenzende New Chitose Airport.

De 2e Luchtvleugel was de eerste die de F-104J in gebruik nam. Het 201e Squadron werd in maart 1963 in Chitose opgericht en het 203e op 25 juni 1964. Laatstgenoemde nam de paraatheid over van de F-86D Sabres van het 103e Squadron. Op 1 oktober 1974 werd het 201e Squadron ontbonden en de F-4EJ's van het nieuwe 302e Squadron namen de plaats ervan in.

Het F-15-tijdperk begon op 24 maart 1984, toen het 203e squadron overstapte op de door Mitsubishi gebouwde Eagle; het 302e squadron verhuisde in november 1985 naar Naha, en op 19 maart 1986 werd het 201e squadron opnieuw opgericht met de F-15. Het embleem met de bruine beer is geïnspireerd op de beren van Hokkaido. Beide squadrons vliegen sindsdien met de F-15 vanaf Chitose en waren volgens de Engelstalige Wikipedia te zien in de film Best Guy uit 1990.

Het patroon van hun werkzaamheden is veranderd. De gezamenlijke staf telde 165 uitrukken door de noordelijke luchtverdediging in fiscaal jaar 2025, ongeveer 28 procent van het nationale totaal, en slechts 20 in april-juni 2026, tegenover 106 in het zuidwesten.

Op 6 september 1976 steeg luitenant Viktor Belenko van de Sovjet-luchtverdediging op vanaf Chuguyevka in de regio Primorsky Krai in een MiG-25 en vloog naar Hakodate in het zuiden van Hokkaido. Volgens de gegevens van de dienst, zoals die zijn overgenomen uit de Japanse Wikipedia, verloor de grondradar van de Japanse luchtverdediging hem uit het oog toen hij op zeer lage hoogte daalde. Twee F-4EJ's van het 302e Squadron, die rond 13:20 uur vanaf Chitose waren opgestegen, konden hem niet detecteren in de mist op de grond. Hij landde rond 13:50 uur.

De MiG-25 werd op 25 september door een C-5 Galaxy van de Amerikaanse luchtmacht van Hakodate naar Hyakuri vervoerd, geïnspecteerd en op 15 november 1976 in 30 kratten vanuit de haven van Hitachi teruggebracht, aldus de Engelstalige Wikipedia. Belenko vertrok naar de Verenigde Staten.

Voor Chitose was de les dat er een tekort was aan radardekking op lage hoogte, een tekort dat de eigen radar van de Phantoms niet kon opvullen. De Japanse luchtmacht reageerde hierop door E-2C Hawkeye-vliegtuigen voor luchtbewaking aan te schaffen, die volgens Wikipedia in januari 1987 in Misawa in dienst werden genomen.

Chitose is tevens de thuisbasis van de regeringsvliegtuigen. De Speciale Luchttransportgroep, bestaande uit een hoofdkwartier, het 701e Squadron en een onderhoudseskader, vervoert de premier, de keizerlijke familie en staatsgasten; personeel van de Japanse Zelfverdedigingsmacht (JASDF) bestuurt en bemant de vliegtuigen.

De eerste twee Boeing 747-400's werden in het najaar van 1991 geleverd en vervoerden in 1993 voor het eerst premier Kiichi Miyazawa naar de Verenigde Staten, aldus de Engelstalige Wikipedia. Ze werden vervangen door twee Boeing 777-300ER's, die op 17 augustus en 11 december 2018 in Chitose aankwamen en in april 2019 in gebruik werden genomen. De groep meldde haar 400e missievlucht op 9 augustus 2024.