舱内20世纪80年代以前,美国空军的运输体系是由C-5“银河”、C-141“运输星”和C-130“大力神”构成的,在执行全球空运任务的时候,首先由C-5负责洲际间的远程战略空运,随后转由C-141运输到战场的后方基地,最后转由C-130最终运输到前线。
1980年2月,美国空军提出了C-X 重型运输机的需求草案,新的运输机将同时担负起战略运输任务。需求中说明新的运输机必需和C-130一样具备短场起降能力;飞机必须可以运载美国陆军和海军陆战队的所有装备,包括AH-64阿帕奇武装直升机和M1艾布拉姆斯主战坦克。
波音、洛克希德和麦道公司都提出了C-X的设计方案,波音的设计构型是三发动机运输机,洛克希德设计的外型则很类似C-141。1981年8月28日,美国空军宣布最后的决定中选的是麦道公司。同年9月,落榜的洛克希德公司提议重新生产44架C-5B银河,不但交机时间快,也比 C-17便宜,这个想法获得参议院武装部队委员会主席的支持。1982年,美国空军采购了50架重新生产的C-5B,和60架麦道KC-10A加长型双用途加油/运输机,同时为了安慰麦道,空军也拨出部分款项以提前开始 C-X 的设计工作,并赋予编号为 C-17。
1984年C-17完成基本设计,货舱加驾驶舱的全尺寸模型获得空军的好评。1984年9月11日至20日,美国空军由一位现役的运输机装载长,针对陆军和海军陆战队的使用需求,进行货舱装载测试。测试装载的物品共有11种组合,典型的装载物有:1、两部装甲人员运输车、两部五吨大卡车加二吨半拖车、三辆吉普车;2、三架AH-1S眼镜蛇武装直升机、三架OH-58C基奥瓦直升机。
1985年12月,麦道获得总金额34亿美元的研制经费,C-17进入真正的开发阶段,将制造包括原型机在内的六架全尺寸试验机。1988年4月,C-17的设计超重8.2%,无法满足合约中最大航程的要求。进度的拖延以及性能不足的问题再度引起国会中的反对声,1988年8月,五角大楼不顾国会及部内反对C-17的批评声,坚持此型飞机原定的210架采购计划,但是由于研制计划的拖延,C-17的首次形成作战能力(第一个飞行中队12架飞机正式可执行任务)的日期,由1992年4月延后至1992年9月,后又延至1993年5月,最后又延至1995年1月,比原计划拖延了三年。