Leeuwarden begon als een civiel vliegveld. Het werd geopend op 24 juni 1938, volgens de Luftwaffe-vliegveldenstudie van historicus Henry de Zeng. De documenten van het Ministerie van Defensie bevestigen dat het datzelfde jaar een officieel vliegveld werd, voornamelijk gebruikt door KLM als tussenstop tussen Schiphol en Eelde bij Groningen. Het bewaard gebleven KLM-stationsgebouw uit die tijd staat nog steeds op de basis en herbergt nu de Traditiekamer, de erfgoedruimte die de geschiedenis van de basis vertelt.

De Duitse invasie in mei 1940 veranderde alles. De Luftwaffe beschouwde Leeuwarden als haar belangrijkste luchtmachtbasis in Noord-Holland, en tegen het einde van de zomer van 1940 waren zo'n 7.500 arbeiders bezig met de aanleg van drie betonnen start- en landingsbanen van respectievelijk 1.500, 1.300 en 1.200 meter, hangars, werkplaatsen en luchtafweerposities, allemaal zwaar gecamoufleerd. Het ministerie van Defensie voegde eraan toe dat puin van de bombardementen op Rotterdam in de start- en landingsbanen en taxibanen terechtkwam. In november 1942 waren er 74 vliegtuigloodsen en 16 verharde parkeerplaatsen verspreid over drie opstelterreinen.

Jachtvliegtuigen kwamen eerst: I./JG 51 in de zomer van 1940 en II./JG 52 die winter, daarna bommenwerpers van III./KG 4. Vanaf november 1941 werd Leeuwarden een basis voor nachtjagers, met II./NJG 2 tot september 1942 en IV./NJG 1 van oktober 1942 tot maart 1944. III./JG 1 vloog hier in 1943 met dagjagers. Het vliegveld werd herhaaldelijk aangevallen en na zware bombardementen in september 1944 werd het gedegradeerd tot een vooruitgeschoven landingsplaats. Voordat de Canadese troepen in april 1945 arriveerden, hadden de Duitsers de meeste landingsbanen en hangars vernield.

Na de bevrijding vloog KLM nog kortstondig van Leeuwarden naar Schiphol, maar in 1949 nam de luchtmacht het vliegveld over. Op 28 januari 1949 arriveerde 323 Squadron vanuit Twenthe met Gloster Meteor F.4's, waarmee Leeuwarden volgens het ministerie van Defensie de eerste operationele Nederlandse luchtmachtbasis met straaljagers werd. 322 Squadron, de eenheid die in 1943 was opgericht door Nederlandse piloten van de RAF, zou zich later hier permanent vestigen.

In de beginjaren van de NAVO was de basis, volgens het ministerie zelf, de meest gebruikte luchtmachtbasis in West-Europa, aangezien de geallieerde luchtmacht er oefeningen uitvoerde. De gevechtsvliegtuigen wisselden voortdurend: de Meteor bleef in gebruik tot 1956, de Hawker Hunter van 1956 tot 1964, en vervolgens de Lockheed F-104G Starfighter, waarmee de squadrons 322 en 323 vijftien jaar lang vlogen. De squadrongeschiedenis die op Wikipedia is samengevat, dateert de aankomst van squadron 322 met de Starfighter in Leeuwarden in april 1964.

De Starfighter-jaren leverden een van de vreemdste episodes uit de Nederlandse militaire geschiedenis op. Om 4.54 uur 's ochtends op 11 juni 1977, toen mariniers de gekaapte trein bij De Punt bestormden, vlogen zes F-104G's laag over de plek des onheils om de kapers af te leiden. Zes kapers en twee gijzelaars kwamen om het leven bij de aanval die een einde maakte aan het 20 dagen durende beleg. Secundaire bronnen schrijven de laagvliegende vliegtuigen toe aan 322 Squadron uit Leeuwarden; er is geen officieel Nederlands verslag gevonden waarin de eenheid wordt genoemd.

In 1979 werd Leeuwarden de eerste Nederlandse basis die de Starfighter inruilde voor de F-16. De eerste F-16 in Nederlandse dienst was een tweezits B-model, de J-259, die hier werd geleverd. Squadron 322 begon in 1980 met de omschakeling en werd, volgens de gepubliceerde squadrongeschiedenis, op 1 mei 1981 het eerste operationele Nederlandse F-16-squadron. Vanaf 1981 voerde de Nederlandse F-16-vloot ook de snelreactie-alarmfunctie voor het Nederlandse luchtruim uit, een taak die ze 43 jaar lang zou vervullen.

De F-16's van Leeuwarden waren opnieuw de eersten toen de vloot werd gemoderniseerd: het ministerie van Defensie registreert dat 322 Squadron als eerste vloog met de mid-life update, de F-16AM. Secundaire bronnen vermelden dat het squadron met zijn F-16's werd ingezet tijdens Operation Enduring Freedom in 2002-2003, bij ISAF in Afghanistan tussen 2005 en 2014 en in Libië in 2011. In eigen land werd 323 Squadron het tactische trainings-, evaluatie- en standaardisatiesquadron (TACTES), dat volgens Wikipedia op 31 oktober 2014 werd opgeheven voordat het nummer terugkeerde voor de F-35.

De basis huisvestte ook een zoek- en reddingseenheid. 303 Squadron vloog met drie Agusta-Bell 412SP-helikopters vanaf Leeuwarden boven de Waddenzee en de Noordzee tot de eenheid op 1 januari 2015 werd opgeheven (de datum van opheffing is afkomstig uit een secundaire bron). De laatste F-16-vlucht van 322 Squadron vond plaats op 5 juli 2021, toen vier toestellen naar Volkel vertrokken; het type werd in september 2024 definitief uit de Nederlandse dienst genomen.

Leeuwarden is sinds de jaren vijftig het centrum van de luchtmacht voor gevechtstactieken, mede dankzij het lege luchtruim boven de Noordzee en het oefenterrein Vliehors op Vlieland. Tegenwoordig is die rol weggelegd voor 323 Squadron, het Centrum voor Luchtgevechtsontwikkeling, dat door het ministerie van Defensie wordt beschouwd als het Europese kenniscentrum voor tactische gevechtsoperaties. Het ontwikkelt en test tactieken voor de F-35, organiseert Frisian Flag en verzorgt de wapeninstructeursopleiding.

Frisian Flag is in 1992 opgericht als DIATIT, in de nasleep van de NAVO-interventie in Bosnië, en kreeg in 1999 zijn huidige naam. Vakbladen telden in 2017 meer dan 60 gevechtsvliegtuigen van acht NAVO-landen, met tankvliegtuigen in Eindhoven en NAVO AWACS-vliegtuigen vanuit Geilenkirchen, en in 2019 meer dan 50 vliegtuigen van zes landen, toen alleen al de Minnesota Air National Guard tien F-16's, 24 piloten en 160 ondersteunende medewerkers stuurde. Er worden twee keer per dag missies uitgevoerd in het Nederlandse, Duitse en Deense luchtruim.

De opleiding tot wapeninstructeur duurt zes maanden. In 2021 vond deze plaats van 3 mei tot 22 oktober: vier weken theorie, een luchtgevechtsfase vanaf eind juni, lucht-grondoefeningen in augustus en een examenfase in oktober, met Belgische, Nederlandse en Noorse piloten. Vanaf 2021 konden ook Patriot-operators, inlichtingenofficieren en luchtgevechtsleiders zich kwalificeren als instructeur. De opleiding kent echter ook risico's: in juli 2021 schoot een Belgische F-16 die de opleiding volgde, bij het opstarten van de motor los en botste tegen een gebouw.

De F-35 arriveerde in Leeuwarden in twee etappes. Op 23 mei 2016 landden de eerste twee Nederlandse F-35A's, F-001 en F-002, hier na de Atlantische Oceaan te zijn overgestoken vanaf Edwards Air Force Base met ondersteuning van een KDC-10 tankvliegtuig, bestuurd door kolonel Bert de Smit en majoor Pascal Smaal. Ze bleven er om geluidstests in de lucht en op de grond uit te voeren, vlogen boven de oefenterreinen aan de Noordzee en waren te zien op de Open Dagen-luchtshow.

De permanente stationering begon op 31 oktober 2019, toen de eerste F-35A die in Cameri in Italië was geassembleerd, werd overgevlogen door de commandant van 323 Test- en Evaluatiesquadron. De brandweerlieden van het vliegveld, die na een eerdere uitruk waren vergeten hun tanks te wisselen, begroetten het toestel met schuim in plaats van de traditionele watersaluut. 322 Squadron schakelde over en op 27 december 2021 verklaarde Nederland, als achtste land, de initiële operationele capaciteit te hebben bereikt, met 24 geleverde F-35A's, 55 piloten en 262 onderhoudspersoneelsleden.

In maart 2024 droeg de F-16 de snelle reactie-dienst over aan de F-35, en het ministerie van Defensie noemt Leeuwarden, Volkel en Luke Air Force Base in Arizona nu als de F-35-bases. 322 Squadron staat paraat voor de NAVO-luchtverdediging en neemt deel aan luchtbewaking aan de oostgrens van Europa; de Benelux-dienst rouleert met Volkel en, sinds 1 januari 2017, met België.

Het 306 Squadron werd in 1953 opgericht als fotoverkenningseenheid, vloog in de jaren negentig boven het voormalige Joegoslavië, werd in 2010 ontbonden en in september 2018 nieuw leven ingeblazen voor de MQ-9A Reaper. Het ministerie van Defensie meldt dat de Reaper sinds begin 2022 in Leeuwarden gestationeerd is. Het basisartikel op Wikipedia vermeldt 2020 als jaar van het eerste toestel; hier wordt de officiële datum gehanteerd. Het systeem bestaat uit acht vliegtuigen en vier grondcontroleposten.

Elke missie wordt uitgevoerd door een piloot en een sensoroperator via een satellietverbinding met een vertraging van een halve seconde tot een seconde. De verwerkings-, analyse- en verspreidingseenheid van het squadron zet de beelden om in inlichtingen en heeft de Resolute Support-missie in Afghanistan en Inherent Resolve in het Midden-Oosten ondersteund. Sinds augustus 2024 vliegen Nederlandse Reapers vanuit Roemenië boven de oostflank van de NAVO; op 21 september 2026 verlengde de regering die inzet tot 31 december 2027, met de mededeling dat de Amerikaanse bijdrage zou eindigen.

De Reapers vliegen voorlopig nog onbewapend. Officiële bronnen verschillen van mening over het tijdstip van bewapening: de squadronpagina meldt dat de MQ-9's in 2026 bewapend zullen worden, terwijl de vliegtuigpagina stelt dat de munitie in 2028 volledig inzetbaar is. Beide data zijn officieel; welke datum het huidige plan beschrijft, wordt niet vermeld. De vliegtuigpagina geeft de Reaper een vliegduur van maximaal 27 uur en een vlieghoogte van 15 kilometer.