В восьмидесятых годах основной задачей военно-транспортной авиации США в случае возникновения военного конфликта между НАТО и странами Варшавского договора считалась перевозка войск через Атлантический океан, из США в Западную Европу. Имевшиеся в распоряжении ВВС самолеты C-5 Galaxy и C-141 Starlifter с объемами этих перевозок справиться не могли. ВВС США требовался тяжелый самолет с большой дальностью полета, способный дозаправляться топливом в воздухе и оптимизированный, прежде всего, для перевозок крупногабаритных грузов между театрами военных действий, с доставкой их непосредственно в районы боев. Это предъявляло повышенные требования к взлетно-посадочным характеристикам и боевой живучести новой машины.

После конкурса проектов заказ на разработку самолета C-17 получила компания McDonnell Douglas. Самолет был выполнен по нормальной аэродинамической схеме с фюзеляжем большого диаметра, высокорасположенным крылом умеренной стреловидности и Т-образным оперением. Крыло имеет сверхкритический профиль и оснащено концевыми аэродинамическими поверхностями. Механизация крыла включает предкрылки по всему размаху и двухщелевые закрылки с обдувом потоком газов от двигателей. Подобная схема повышения подъемной силы была отработана на экспериментальном самолете YC-15. Перед закрылками на каждой консоли крыла расположены по четыре секции интерцепторов. Система управления полетом электродистанционная цифровая с резервной механической проводкой. Четыре двухконтурных двигателя Pratt Whitney F117-PW-100 располагаются в подкрыльных гондолах на пилонах. Имеется система дозаправки топливом в полете.

Грузовая кабина оборудована грузовой рампой, на которой в полете может размещаться груз массой до 18т. В грузовой кабине можно разместить танк M1A1 Abrams, до трех вертолетов AH-64 Apache или до 18 контейнеров с грузом общим весом до 78т. Нижняя часть фюзеляжа бронирована для защиты от стрелкового оружия. Возможно беспосадочное десантирование грузов на платформах с предельно малых высот с помощью вытяжных парашютов. Трехопорное убирающееся шасси рассчитано на эксплуатацию с бетонированных и небетонированных ВПП. Основные стойки состоят из двух трехколесных тележек. Экипаж состоит из трех человек. По левому борту за кабиной экипажа имеется отсек для отдыха членов экипажа. Приборное оборудование включает индикаторы на лобовом стекле и цветные дисплеи, обычные приборы используются в качестве резервных. Возможно применение очков ночного видения. Для управления самолетом используется не штурвал, а центральная ручка управления.

Первый полет самолета состоялся в декабре 1990 года. Позже самолету было присвоено официальное наименование Globemaster III. Самолет прошел интенсивные испытания. В апреле 1992 года была проведена первая дозаправка в воздухе, в мае была зафиксирована максимальная скорость 944км/ч, в июне впервые в полете был открыт грузовой люк. Максимальный груз, сброшенный с борта C-17A, составил 18160кг. В мае 1994 года опытный самолет совершил первый трансатлантический перелет, приземлившись в Великобритании.

В ходе летных испытаний возник ряд проблем, связанных, прежде всего, с отработкой программного обеспечения бортового оборудования и интеграцией двигателей и планера самолета. Программа летных испытаний завершилась в декабре 1994 года, к тому времени ВВС США уже получили 16 серийных машин. В ходе реализации программа подвергалась резкой критике из-за конструктивных недостатков. Самолет оказался перетяжелен на несколько тонн, а двигатели самолета не могут работать на режиме полной тяги из-за того, что от выхлопных газов перегреваются закрылки. Кроме того, крыло не выдержало статических испытаний на прочность и его пришлось усиливать.

Однако работы над новым самолетом продолжались. Тяжелые транспортные самолеты C-5 и C-141 могли эксплуатироваться лишь на больших аэродромах. Применение C-17 с большой дальностью полета и способностью посадки на малоподготовленные полосы позволяет разгрузить тыловые аэродромы и устраняет необходимость перегрузки снаряжения в тактические самолеты. К середине 2008 года было построено 120 машин Globemaster III.