选址
民国9年(1920年)，北洋政府航空事务处以“京沪绾彀南北，所经各地，半属通商大邑，外人垂涎既久，主权之丧失堪虞”为由，拟定了一个全国航空线计划，决定先行筹办京沪航空线，为此，航空事务处派员到沪勘察站址，最初选择吴淞的老鼠沙，因地产权问题未成，后选定虹桥路西端上海县与青浦县交界处。
始建
辟建工程由美商允元实业公司负责，约定4个月内全部竣工。1921年3月10日动工，同年6月底竣工，后因航空署“扼于经费不足”等原因，京沪航线未能按期通航。
民国18年(1929年)5月，鉴于世界各国航空事业迅速发展，南京国民政府决定率先筹办京(南京)沪航线段，选定虹桥机场作为上海航空站，同年7月8日，上海民航史上第一家正式航邮班机从虹桥机场起飞，首航南京。
民国23年(1934年)4月，虹桥机场征地890亩，进行了一次小规模扩建。
1937年11月12日，日军占领上海，虹桥机场亦陷入敌手。
抗战胜利后，虹桥机场由国民党空军接管，后划为民用机场，1949年5月24日下午，中国人民解放军第三野战军解放虹桥机场，后交空军管理。
重建
1950年4月，中共中央华东局决定重建虹桥机场。同年5月6日成立13人组成的虹桥机场修建委员会。同年9月，工程开工。由于设计人员少，工程急，有些项目一边设计，一边施工。解放军华东军区防空司令部暨上海防空司令部于1951年5月20日组成虹桥机场修建工程检查委员会进行检查验收，认为修建工作的成绩是主要的，应予肯定，对检查出的问题，做了相应处理，并采取了具体的善后措施。
扩建
1963年3月，中国和巴基斯坦两国政府总理达成通航原则，定于1964年5月中巴航线通航上海，为确保按时通航，周恩来总理提议扩建虹桥机场为国际机场。1963年10月28日，国家计委批准《上海虹桥国际机场建设设计任务书》，扩建后的机场产权属民航。
1964年4月29日，虹桥机场一期工程通过验收，正式投入使用。1965年7月3日，民航总局主持了二期工程的验收，随后机场正式交付使用。
1964年4月29日，在上海虹桥国际机场举行中国上海与巴基斯坦达卡(今孟加拉国首都)通航典礼
民航总局局长邝任农(右)、上海市副市长曹荻秋(前左二)在上海虹桥国际机场参加上海—达卡通航典礼
在庆祝中巴通航典礼上、上海市公安局局长黄赤波(左四)、民航上海管理局局长马仁辉(左三)、民航上海管理局副局长兼民航上海虹桥航空站站长林征(左一)等在等待巴航班机降落
1965年9月22日，上海虹桥国际机场候机楼竣工并投入使用
由于当时国际航班少，该机场在一定时期实行军民合用，空军驻一个师部和一个团的飞机。1972年驻场空军全部迁出，自此虹桥机场改为民航机场。
改革开放后，上海地区航空运输迅速发展，虹桥机场候机楼拥挤不堪，为此，1984年3月，国务院和国家计委批复同意候机楼扩建方案。用时7个半月，候机楼扩建工程完工。后又分别于1991年、1996年对候机楼进行了两次扩建。
1989年8月1日，上海航空公司引进的首架波音757型客机从美国西雅图安全飞抵上海虹桥国际机场
1991年12月25日，扩建后的上海虹桥国际机场国际候机楼竣工剪彩仪式
1996年，上海虹桥国际机场旅客吞吐量突破3000万人次，机场为第3000万名嘉宾颁发荣誉证书
1997年12月31日，上海虹桥国际机场顺利实现十年安全运行
至2006年底，上海虹桥国际机场飞行区等级为4E，可使用波音747-400同类型及以下机型，跑道运行类别为I类精密进近跑道。
2010年3月16日，虹桥机场2号航站楼及第二跑道正式启用。
2014年底，虹桥机场启动1号航站楼改造及东交通中心建设工程。
2017年3月26日，改造后的虹桥机场1号航站楼A楼启用。
改造后的虹桥机场1号航站楼
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