1960年代日本（日语：1960年代の日本），日本關西地方的航空需求逐漸擴大，由於大阪既有的大阪國際機場（伊丹機場）缺乏腹地擴建，興建「關西第二機場」的呼聲孕育而生[3]。1963年，日本首相府內近畿圈整備本部提出的「大阪國際機場擴張整備與第二國際機場建設」計畫獲得內閣會議通過。由於大阪周邊用地吃緊，日本政府決定以填海造地修建機場，並從大阪南港近海、神戶近海、明石近海、淡路島、泉州（日语：和泉）近海等5個預定地中選出泉州近海為場址。經過5年的填海工程，用了1.8億立方米的土方，在原先水深達17至18米的大阪灣水域從無至有填出了5.11平方千米的機場用地。
機場第一期工程建有一條3500米長的跑道，航站楼主要由意大利建築師倫佐·皮亞諾（Renzo Piano）和日本建築師岡部憲明（日语：岡部憲明）設計，另外還有其多位著名的建築師、工程師參與設計，並由青木建設負責填海工程，採用玻璃和金屬的高科技派建築風格，長度達1.5公里。啟用後，承接了伊丹機場所有的國際線航班。
機場快速鐵路可以把乘客直接從機場送到大阪市內。機場的建設費用達1.45兆日圓，當時約合200億美元。機場剛建成時，引來建築界和工程界無數讚譽，美國土木工程師協會甚至稱其為「新世紀的豐碑」。除了機場本身外，另在機場島上興建關西國際機場發電中心，專供機場的用電需求。
但由於大阪灣海底的地質條件不佳，是很厚的淤泥，機場建在水深18米的軟地層上，從建設之日起就一直在不停的沉降之中，目前機場所在的人工島已經下陷了十多厘米；加上跑道海拔高度只有5米，與啟用之初比較已下沉超過3米，在遇到極端天候時或因全球暖化機場可能將陷入被水淹沒的風險中[4][5]。從機場營業之初，營運單位就不得不花費2,700億日元用於維修和在地下室內建造一堵水泥牆以防海水滲入，又進行護岸加高工程和強化排水功能等[4]，但是這些困難並沒有阻止營運單位繼續建設的信心。為了應付日益增加的航空交通，關西機場於1996年開始第二期工程，透過填海把人工島面積擴大到1,300公頃，以興建第二條跑道及第二航站楼。目前機場第二條4,000米長的跑道（6L/24R跑道）已經於2007年8月2日開始運作，為日本第二條有4,000米長的跑道，原有的3,500米跑道（6R/24L跑道）成為副跑道。
2012年10月28日，第二航廈啟用，為日本首座專供廉航使用的航廈[6]。航廈面積約為30,000平方米，內部設計簡單，採用單層式的開放式設計，共有9個飛機泊位，不設空橋。
關西國際機場最初的建設與運作，最初是由日本中央與地方政府共同出資於1984年10月1日設立的「關西國際機場株式會社」（通稱「舊關空會社」）負責。為了統合關空、伊丹這兩座大阪聯外機場的管理工作，日本政府在2012年4月1日成立特殊會社（日语：特殊会社）「新關西國際機場株式會社（日语：新関西国際空港）」（簡稱「新關空會社」或NKIAC）來接手營運，原有的關西國際空港株式會社則改組為「關西國際機場土地保有（日语：関西国際空港土地保有）」，保有關西國際機場的土地所有權，日本政府持有的舊關空會社股份則由新關空會社承接。至2016年4月1日，新關空會社再將關空、伊丹兩座機場的大部分業務統一委外由民間企業合資成立的「關西Airport株式會社（日语：関西エアポート）」承接，新關空會社則維持對這兩座機場的所有權。
2018年，關西國際機場因颱風燕子導致場區大規模淹水。
2018年9月4日，因受颱風飛燕影響，機場遭遇啟用24年以來最嚴重的損害，跑道及機坪被倒灌海水淹沒[7]，機場連絡橋的南側公路車道則被漂流的液貨船撞擊毀損，導致機場對外交通中斷，約3000名乘客一度被迫滯留機場[8]。直到5日早上，在檢查確認北側車道未受損後，以巴士將受困者從機場疏運[9]，另外在海象穩定後，也以高速船載運受困者前往神戶機場[10]。9月7日上午起，國內線一部份班次使用受損較少的第二航廈及B跑道恢復起降[11]。但第一航廈及A跑道受損較嚴重，國際線航班僅樂桃航空、日航以及全日空共用第二航廈於9月8日起部份重開[12]，在搶修期間，其他航空公司重開日期尚未決定，大阪府知事松井一郎希望能暫以神戶機場及伊丹機場讓國際線航班起降[13]。連絡機場的鐵路於9月18日清晨起恢復運行[14]。經過17天的搶修，關西機場第一航廈及A跑道於9月21日起恢復運作，班機可正常起降[15]。