Самолет Ан-10 стал первым в СССР лайнером с турбовинтовыми двигателями, но очень скоро был выведен из эксплуатации. Проектирование нового четырехдвигательного пассажирского самолета, предназначенного для эксплуатации на авиалиниях протяженностью от 500 до 2000км началось в конце 1955 года. Главной особенностью будущего пассажирского лайнера должна была стать его способность эксплуатироваться с грунтовых аэродромов, так как строительство ВПП с искусственным покрытием только разворачивалось. В это время в ОКБ Туполева рекордными темпами шло создание реактивного Ту-104, но в стране было всего несколько аэродромов, способных принять машину такого класса.

Летом 1955 года Антонов предложил идею разработки очень близких по конструкции пассажирского и военно-транспортного самолетов, которые отличались бы, главным образом, хвостовой частью фюзеляжа. Такой подход позволял значительно удешевить оба проекта, и предложение создать самолеты-близнецы выглядело очень привлекательно.

Несмотря на то, что создаваемый самолет Ан-10 был пассажирским, его аэродинамическая схема, поперечное сечение фюзеляжа, основные проектные параметры крыла, оперения и шасси определялись исходя из военно-транспортного назначения его близнеца Ан-12. Для самолета была выбрана схема высокоплана, что позволило не только разместить двигатели под крылом, что повысило аэродинамическое качество крыла, но и удалить воздухозаборники и лопасти винтов на значительное расстояние от земли, что было очень важным для работы с грунтовых аэродромов.

Фюзеляж огромного по тем временам поперечного сечения, определенного из условий перевозки военной техники, позволил антоновцам обеспечить пассажирам Ан-10 невиданный ранее комфорт. Просторные, высокие салоны позволили установить мягкие пассажирские кресла с наклоном спинки сидения до 45°, индивидуальное освещение и радиооборудование. Благодаря верхнему расположению крыла из всех окон пассажирских салонов открывался одинаково хороший обзор. В подпольном пространстве фюзеляжа удалось организовать достаточно большие отсеки для багажа и почты. Погрузочные люки находились на небольшой высоте от земли, поэтому погрузка багажа производилась без использования дополнительных приспособлений.

Большой диаметр фюзеляжа имел свои недостатки, главный из которых заключался в трудности обеспечения его герметичности. Здесь основную проблему создавали многочисленные вырезы для входных дверей и грузовых люков.

Для первых отечественных турбовинтовых самолетов Ан-10 и Ил-18 были разработаны два двигателя. В конструкции двигателя НК-4, разработанного в ОКБ Кузнецова, был применен шестиступенчатый осевой компрессор со сверхзвуковой профилировкой и трехступенчатой турбиной. Характеристики двигателя выглядели очень впечатляюще, однако внедренные в НК-4 новации оказались недостаточно исследованы, что впоследствии негативно сказалось на его надежности. В запорожском ОКБ Ивченко упор решили сделать на простоту его конструкции и надежность в эксплуатации. На двигателе АИ-20 применили проверенный практикой десятиступенчатый дозвуковой осевой компрессор, что позволило свести к минимуму технический риск. В результате двигатель получился на 200кг тяжелее, чем НК-4 и имел несколько больший расход топлива. Зато ресурс двигателя Ивченко в несколько раз превышал этот показатель у двигателя Кузнецова, а со временем он был доведен до уровня лучших мировых образцов - 20000 часов.

Оба двигателя имели свои достоинства и недостатки и тогда Антонов принял решение строить Ан-10 с двигателями НК-4, а Ан-12 - с двигателями АИ-20.

Опытный Ан-10, получивший собственное имя "Украина", совершил первый полет в марте 1957 года. Заводские испытания продолжались до лета 1958 года. Уже в ходе испытательных полетов на опытной машине установили вертикальные шайбы на горизонтальном оперении, тем самым повысив запас путевой устойчивости. Для повышения поперечной устойчивости средняя часть крыла самолета получила небольшое положительное V, а консоли немного отогнули вниз.

Немало проблем создателям Ан-10 доставили двигатели НК-4. Они требовали многочисленных доработок, для выполнения которых часто приходилось останавливать полеты. На этом фоне двигатель Ивченко показал себя более надежным, и в конце концов было принято решение установить их на Ан-10 и в ноябре 1957 года самолет поднялся в небо уже с новой силовой установкой. В этом же году самолет запустили в серийное производство. Всего было построено немногим более 100 самолетов.

В июле 1959 года началась эксплуатация самолета в Аэрофлоте на трассе Москва - Симферополь. В этом же году в производство запустили первую модификацию - Ан-10А. Базовый вариант предусматривал перевозку 85 пассажиров, а вариант Ан-10А за счет перекомпоновки салона имел уже 100 пассажирских мест. При этом заднюю гермоперегородку перенесли на 2м назад, а между передним и средним салоном, в зоне воздушных винтов, разместили багажно-бытовой отсек. В конструкцию агрегатов и систем несли ряд изменений. Самолет оснастили двигателями АИ-20А, а затем АИ-20К. Количество пассажирских мест довели до 112.

Два года спустя на серийном Ан-10А заменили дополнительные шайбы горизонтального оперения на два подфюзеляжных киля. Оказалось, что шайбы находились в зоне воздушных вихрей, что вызывало опасную вибрацию хвостового оперения самолета на высоких скоростях. После испытаний аналогичную доработку выполнили на всех выпущенных самолетах.

Еще в 1957 году прорабатывался проект самолета Ан-16, предусматривавший удлинение фюзеляжа самолета за счет трехметровой вставки и увеличение количества кресел до 130. Дальность полета варианта Ан-10Д с увеличенным размахом крыла и дополнительными топливными баками должна была достичь 4400км. Был разработан и проект самолета Ан-10В с удлиненным на 6м фюзеляжем, рассчитанный на перевозку 174 пассажиров на расстояние 1600км. В 1962 году один самолет переделали в 132-местный вариант Ан-10Б. Увеличение количества пассажиров было достигнуто за счет установки семи кресел в ряду вместо шести и дополнительных рядов кресел при их более плотном размещении. Для увеличения дальности полета до 2000км при полной нагрузке, в крыле были установлены дополнительные топливные баки. После испытаний машина еще несколько лет оставалась в ОКБ Антонова, где использовалась как своего рода корпоративный лайнер, а затем была передана в Молдавское управление ГВФ.

Несколько самолетов было переоборудовано в транспортно-санитарный вариант Ан-10ТС и грузо-пассажирский вариант Ан-10АС. Один самолет был переделан в воздушный командный пункт Ан-10КП. Самолет оснастили спецоборудованием, предназначенным для оперативного управления частями ВДВ и и связи со штабами.

Начало регулярной эксплуатации Ан-10 проходило вполне благополучно. Экипажи высоко оценивали машину, к тому же работать на новом лайнере было очень престижно. Нравился самолет и пассажирам, которые были приятно удивлены комфортом его салонов. Но 16 ноября 1959 года при заходе на посадку в плохих метеоусловиях в аэропорту Львова Ан-10 потерпел катастрофу, причину которой установить не удалось. Самолеты Ан-10 продолжили регулярные рейсы, но всего через три месяца, 28 февраля 1960 года, беда повторилась, причем в том же месте и в очень похожих погодных условиях. Проведенные исследования доказали, что причиной обеих катастроф стало обледенение стабилизатора и нарушение продольной управляемости самолета при выпущенных закрылках. Самолет оперативно доработали, снабдив носок стабилизатора более мощной электротепловой противообледенительной системой, а штурвальную колонку оснастили пружинным загружателем.

Катастрофы нанесли ощутимый удар по имиджу самолета. Для восстановления репутации своего лайнера Антонов решил провести дополнительные испытания самолета, а также масштабную рекламную акцию, включавшую полеты с участием журналистов. Был выполнен длительный полет на минимальных скоростях, скоростные перелеты и полет с тремя выключенными двигателями. В 1961 году самолет установил рекорд скорости 530км/ч на замкнутом маршруте длиной 500км с грузом 15т. Но продолжались и катастрофы. К 1971 году было потеряно еще шесть машин по разным причинам, хотя на общем фоне низкой безопасности в ГВФ это было почти нормальным явлением.

К 1971 году на Ан-10 перевезли свыше 35 миллионов пассажиров и миллион тонн грузов. Тем самым самолет вышел на первое место в СССР по пассажирообороту. Казалось, все шло хорошо, но произошло событие, которое поставило крест на карьере Ан-10. В мае 1972 года в районе Харькова произошла катастрофа Ан-10А, в которой погибло 116 человек. Уже на посадочном курсе самолет разрушился в воздухе. Расследование показало, что причиной катастрофы были усталостные трещины стрингеров центроплана, обнаруженные впоследствии и на других машинах. В то время усталостное разрушение металла почти не было изучено и предусмотреть подобное явление в период создания самолета уровень развития науки еще не позволял.

В результате было принято решение о прекращении в 1973 году эксплуатации на линиях Аэрофлота всего парка самолетов Ан-10. Часть более новых самолетов предполагалось еще использовать в качестве грузовых для обеспечения работы авиазаводов, но уже в 1975 году ни один Ан-10 больше не поднимался в воздух.