Mỗi loại máy bay được thiết kế phục vụ những mục đích chiến đấu khác nhau.
Từ những máy bay trinh sát đầu Chiến tranh thế thứ nhất, giờ đây chiến đấu cơ được phát triển đa dạng chủng loại với hàng trăm mẫu máy bay được ra đời. Tùy cấu tạo, tính năng vận hành và nhiệm vụ thực hiện, chiến đấu cơ có nhiều cách thức phân loại khác nhau.
Theo hình thức tác chiến máy bay được phân thành 5 loại chính: Tiêm kích; cường kích; máy bay ném bom; máy bay trinh sát; máy bay vận tải.
Ngoài ra, máy bay trực thăng có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ chiến đấu nhưng có cấu tạo khác biệt so với những loại chiến đấu cơ phản lực còn lại.
Máy bay tiêm kích là một loại chiến đấu cơ trong quân chủng không quân có nhiệm vụ chính là không chiến.
So với các máy bay chiến đấu khác, tiêm kích có kích thước nhỏ, tốc độ cao, độ cơ động tốt, dễ dàng thay đổi các tham số bay (vận tốc, độ cao, hướng bay). Máy bay được trang bị các vũ khí không chiến đặc dụng là radar, hệ thống thông tin - chỉ huy - dẫn đường, súng máy, pháo và tên lửa có điều khiển không đối không.
Từ sau Chiến tranh thế giới thứ hai, máy bay tiêm kích trở thành một phần quan trọng quyết định thắng bại trong hầu hết những cuộc chiến hiện đại. Ngày nay, quân đội các quốc gia trên thế giới đã bỏ ra những khoản ngân sách rất lớn để nghiên cứu chế tạo và bảo dưỡng máy bay tiêm kích hiện đại.
Dự án nghiên cứu và chế tạo máy bay tiêm kích hiện đại nhất của Mỹ F-35 Lightning II có thể lên đến 2.000 tỷ USD tính đến khi ngừng sử dụng loại máy bay này.
Máy bay cường kích là loại máy bay quân sự hỗ trợ lực lượng mặt đất bằng cách thực hiện các cuộc tấn công oanh tạc và ném bom tầm thấp vào bộ binh, xe tăng, các phương tiện bọc thép và công sự của đối phương.
Máy bay cường kích thường chậm hơn và kém cơ động hơn tiêm kích nhưng lại mang được lượng vũ khí lớn và đa dạng như: Pháo tự động, súng máy, tên lửa, tên lửa dẫn đường và bom... và có khả năng bay gần mặt đất. Với hỏa lực mạnh, cường kích được coi là "quả đấm thép" đối với các mục tiêu trên bộ, trên biển.
Thường bay ở cao độ thấp, tốc độ chậm, thời gian bay bao vùng lâu để hỗ trợ bộ binh nên máy bay cường kích sẽ thu hút hỏa lực từ mặt đất. Chúng được trang bị lớp giáp dày đặc biệt để bảo vệ tính mạng phi công.
Theo đánh giá của Topwar, Sukhoi Su-25, A-10 Thunderbolt II, Alpha Jet là những dòng cường kích tốt nhất thế giới.
Đây là loại máy bay quân sự được thiết kế để tấn công các mục tiêu trên mặt đất và trên mặt nước bằng cách thả vũ khí không đối đất, phóng ngư lôi hoặc phóng tên lửa hành trình từ trên không.
Việc thả bom từ máy bay bởi lực lượng không quân của các nước lớn, gây thiệt hại nặng nề cho nhiều thành phố, thị trấn, làng mạc, khu vực nông thôn. Có hai phân loại máy bay ném bom chính: Chiến lược và chiến thuật.
Ném bom chiến lược được thực hiện bởi máy bay ném bom hạng nặng (B-52, Tu-160, B-2 Spirit) chủ yếu cho nhiệm vụ tầm xa nhắm vào các cơ sở hạ tầng làm giảm sản lượng công nghiệp, từ đó hạn chế khả năng tiếp cận tài nguyên và làm suy yếu tiềm lực quân sự của đối phương.
Ném bom chiến thuật thường được thực hiện bởi máy bay nhỏ hoạt động ở phạm vi ngắn hơn, chống lại hoạt động quân sự của đối phương và hỗ trợ hoạt động tấn công của đồng đội. Nhiều máy bay chiến đấu được hoán cải thành máy bay ném bom để kiệm chi phí và tăng tính linh hoạt như: Chengdu J-10, F-16, F/A-18 Hornet, Su-32, Mirage 2000...
Máy bay trinh sát, hay do thám, là loại máy bay quân sự được thiết kế để thu thập thông tin tình báo hình ảnh (bao gồm chụp ảnh từ trên không), thông tin tình báo tín hiệu, thông tin tình báo đo lường, dấu hiệu và ký hiệu. Công nghệ hiện đại cho phép máy bay không người lái (UAV) thực hiện giám sát thời gian thực bên cạnh việc thu thập thông tin tình báo chung.
Trước khi có máy bay, vào thế kỷ XIX người Pháp đã sử dụng khinh khí cầu để thu thập thông tin từ trên không. Trong hai cuộc Thế chiến, các phiên bản cải tiến của máy bay tiêm kích và máy bay ném bom tiêu chuẩn có trang bị máy ảnh trở thành phương tiện do thám cho quân đội các nước.
Kể từ Chiến tranh Lạnh đến nay, vai trò trinh sát chiến lược được giao cho các vệ tinh trinh sát đảm nhiệm, còn vai trò trinh sát chiến thuật thì do UAV đảm nhiệm.
Máy bay vận tải quân sự được thiết kế thực hiện các nhiệm vụ vận chuyển quân, khí tài quân sự, tiếp nhiên liệu trên không và cầu hàng không chiến thuật, chiến lược ở mọi cấp độ. Đây là những máy bay đặc biệt có một cửa lớn phía đuôi để chất và bốc dỡ hàng hóa.
Những nước có tiềm lực quân sự lớn đều có cho mình đội bay vận tải mạnh mẽ.
Antonov An-225 Mriya là loại máy bay vận tải lớn nhất thế giới với tổng trọng lượng tối đa 640 tấn. Máy bay ban đầu được thiết kế, với mục đích chuyên chở tàu vũ trụ Buran. Sau khi Liên Xô tan rã, chiếc máy bay này được chuyển giao cho Ukraine và được sử dụng để vận chuyển những vật thể có kích thước lớn.
C-5 Galaxy với trọng tải 135 tấn là máy bay lớn nhất được quân đội Mỹ thường xuyên sử dụng. Nó có đủ không gian để chở 2 chiếc xe tăng M1 Abrams, 16 chiếc Humvee, 3 chiếc trực thăng Black Hawks hoặc nhiều loại phương tiện khác. Khi không cần chở hàng, C-5 có thể bay liên tục hơn 11.200 km mà không cần tiếp nhiên liệu, trở thành máy bay vận tải quân sự tầm xa nhất trên thế giới.
Máy bay trực thăng hay máy bay lên thẳng là loại phương tiện bay có động cơ, hoạt động bay bằng cánh quạt, có thể cất cánh, hạ cánh thẳng đứng, có thể bay đứng trong không khí và thậm chí bay lùi. Sự linh hoạt của trực thăng khiến máy bay này không thể thiếu trong biến chế của không quân.
Nếu so sánh với máy bay phản lực, máy bay trực thăng có cấu tạo phức tạp, khó điều khiển, hiệu suất khí động học thấp, tốn nhiều nhiên liệu, tốc độ và tầm bay xa kém hơn nhiều.
Chức năng chính của máy bay trực thăng trong quân đội là vận chuyển binh lính, song chúng còn có thể được chuyển đổi để dùng vào nhiều mục đích khác nhau như: Tìm kiếm cứu hộ, di dời thương binh, chỉ huy trên không.
Một số dòng máy bay trực thăng quân sự chuyên dụng được trang bị vũ khí thực hiện các nhiệm vụ tác chiến: Trực thăng chiến đấu, trực thăng trinh sát, trực thăng chống tàu ngầm...
Hiện nay, với sự phát triển của khoa học, kỹ thuật đặc biệt là khả năng bay tự hành với công nghệ AI khiến UAV nổi lên như một dòng máy bay đa nhiệm. Ngoài nhiệm vụ trinh sát, UAV còn có khả năng mang một lượng hỏa lực hạn chế thực hiện các cuộc tấn công nhắm vào các yếu nhân, các phương tiện mặt đất và các công sự của đối phương.
Tuy nhiên hiện nay UAV chưa phổ biến trên thế giới. Chỉ quân đội các nước phát triển mới có thể áp dụng loại phương tiện bay này vào thực tiễn chiến đấu. Vì vậy chưa thể xếp UAV trở thành một loại máy bay quân sự chính.