空军的主要武器装备是各类作战飞机和支援保障飞机，主要包括：歼击机，歼击轰炸机，轰炸机，强击机，运输机，侦察机，空中加油机，预警飞机，电子对抗飞机以及直升机。美国和苏联是当代主要空军强国，装备水平较高。
空军是军事力量中技术最密集的军种之一。第二次世界大战以后，空军武器装备的发展极其迅速，主要表现为：在动力系统方面，继第二次世界大战末期德国首先使用喷气式飞机后，从40年代末起，喷气式飞机逐步取代活塞式飞机，飞机的速度、升限、作战半径、载重量和机动性都迅速增加。在武器系统方面，原有的航炮、炸弹不断改进，到50年代末开始装备导弹，并逐渐成为空战的主要武器，作战能力明显增强。在武器控制系统方面，逐步由完全依靠人工瞄准和操作，发展为装备包括火控雷达、火控计算机、夜视设备以及其他设备的综合系统，可在各种复杂条件下依靠自动控制系统全天候、全方位地精确打击超视距目标。电子对抗设备迅速发展，电磁干扰与反干扰已成为空中作战的重要方面。利用部署在空间的卫星，进一步提高了作战飞机的导航与目标定位性能和攻击精度。开始采用隐形技术，显著提高了作战飞机的突防能力和生存能力。空军武器装备的发展，使空中力量的运用和作战方法都发生了重大变化。
歼击机是空战的主要装备，又称战斗机。第二次世界大战以后，各国都把歼击机作为发展重点。 40年代后期出现最早的喷气式歼击机，速度达到高亚音速，以美国的F-86型和苏联的米格-17 型为代表。50年代初，歼击机飞行速度超过音速。此后的发展可分为三代。第一代在50年代中期装备部队，速度达到M1.3-1.5(M1约为每小时1200公里），武器以航炮为主，探测设备是雷达测距仪，作战方式主要是尾追格斗，代表机型是美国的F-100 型和苏联的米格-19 型。第二代于50年代末开始装备部队，速度达到M2，装备近距空战导弹和可用于全天候作战的雷达，作战方式仍是机动格斗，代表机型有美国的F-104 和F-4 型，苏联的米格-21 和米格-23 型，法国的幻影Ⅲ型。第三代从70年代中期开始装备部队；速度为M2.0-2.5，机动能力显著提高；装备可下视的大功率、多功能雷达，探测距离达到50-400公里，可同时跟踪多个目标；武器有航炮、近距格斗导弹、中远距拦射导弹，后者射程超过100 公里，并具有上射和下射能力；主要机型有美国的F-14、F-15、F-16和F-18型，苏联的米格-29 、苏-27 和米格-31 型，法国的幻影-2000型，其中F-15和苏-27 型最有代表性。第三代歼击机具有全天候、全方向、全高度、超视距空战能力，是当前军事大国空军的主要装备。
80年代末美国开始装备F-117 型隐形战斗机，使歼击机的突防能力大幅度提高。许多国家都在研制具有隐形性能的新一代歼击机。
从60年代期起，空对空导弹成为歼击机空战的主要武器。它具有射程远、命中率高、威力大等特点，已发展了三代。第一代攻击范围较小，命中精度较低，威力也较小。第二代出现于60年代中期，攻击范围扩大，制导装置改进，具有一定的全天候作战能力，主要用于视距内格斗。第三代出现于70年代，一类是近距格斗导弹，仍用于视距内空战，采用红外自主制导，射程10公里左右，以美国的AIM-9L(响尾蛇）型、苏联的AA-8和AA-11 型为主要代表；另一类是中远程拦射导弹，用于拦截视距外目标，采用雷达制导；中距导弹射程50公里左右，以美国的AIM-7F(麻雀）型、苏联的AA -7 型和法国的玛特拉超530 型为代表；远距导弹射程100 公里以上，有美国的AIM-54C (不死鸟）型和苏联的AA-9型。新一代空战导弹正在研制并装备部队，特点是制导精度提高，自主和抗干扰能力强，多目标攻击能力增强。
轰炸机用于对敌方纵深目标实施空中突击，航程较远，携带的武器主要是炸弹和巡航导弹，并装有部分空战武器。从50年代中期起，远程战略轰炸机是轰炸机发展的重点，它可携带核武器，是战略核力量的重要组成部分，在洲际弹道导弹装备部队以前是实施洲际核打击的主要手段。50-60 年代的第一代喷气式战略轰炸机是高亚音速飞机，最有代表性的是美国的B-52型。该机航程1.6 万公里，可载27吨炸弹，经改装后可携带巡航导弹，能在距目标2000公里以外发射，长期以来是美国战略空军的主力机型。70年代以后出现超音速战略轰炸机，主要有：美国的B-1B型，可携带自由落下式核炸弹和巡航导弹，装有近距攻击导弹，具有一定的隐形能力和较强的电子对抗能力，低空高速突防能力强；苏联的图-22 和图-160型，可实施高空超音速和低空高亚音速突防，并可用巡航导弹实施超视距攻击。 90年代初美国研制出B-2 型隐形战略轰炸机，生存和攻击能力显著提高，代表了轰炸机发展的方向。
歼击轰炸机兼具空战能力和攻击战役战术纵深内的地面目标的能力，又称战斗轰炸机，能携带炸弹、空对地战术导弹和空对空导弹。50年代中期以后，歼击轰炸机取代了以往的战术轰炸机。歼击轰炸机有两种类型；一种是专门设计的，如美国的F-111 型和苏联的苏-24 型；一种是由歼击机改型而成的，也称多用途战斗机，如美国的F-15、F-16型和苏联的苏-27 型。
新型歼击轰炸机使用的对地攻击武器有：制导炸弹、集束炸弹、反坦克子母弹、可自主制导的空对地战术导弹，载弹量超过第二次世界大战时的多数轰炸机。一些歼击轰炸机可携带核弹。
强击机主要用于低空或超低空突击和近距离支援作战，具有良好的低空性能和较多的对地攻击武器，并有部分装甲防护，也称攻击机。美国先后装备了几种型号的强击机，新型的A-10型出现于70年代中期，装有航炮、炸弹、空对地导弹和空对空导弹，主要用于攻击坦克、装甲车群和战场上的重要火力点。80年代苏联也装备了苏-25 型强击机。强击机机动性较差，易受地面火力攻击。它的作用已部分被武装直升机和携带精确制导武器的歼击轰炸机所代替。
侦察机是现代战争的主要侦察工具之一，飞行性能极佳，侦察手段包括图像侦察和电子侦察两大类。美国70年代初装备的SR-71 型是最有代表性的战略侦察机。它的飞行速度可达到M3.2，是世界上最快的军用飞机；实用升限25000 米，可在太空边缘飞行；侧视雷达可对飞机一侧数百公里纵深进行照相侦察，一小时拍摄范围达15万平方公里；采用早期隐形技术，是最早的隐形飞机。美国还装备了最新TR-1型高空战术侦察机。但多数战术侦察机是由高性能歼击机改装而成的，主要用于低空侦察。
预警指挥飞机是70年代出现的新机种，标志着空中力量作战方式的重大变化。预警指挥飞机通常装有雷达探测、敌我识别、数据处理、数据显示、通信和导航等系统，主要用于搜索、监视空中或地面(海面）目标并指挥引导己方飞机作战。最著名的预警指挥飞机是美国70年代中期用波音707 型飞机改装成的E-3A型。该机可巡航飞行6-8 小时；装有旋转天线罩，可全方位监视3 万米以下空域，探测距离400-600 公里；能同时跟踪和显示600 个目标，指挥引导100 架飞机作战，极大地提高了空军的作战效能。美国的另一种预警指挥飞机E-8A型主要用于监视地面目标和指挥对地作战，能在全天候条件下，在离前线100 公里以外监视150×\u65297X80公里的战场区域，并通过E-3A型飞机引导作战飞机攻击地面目标，或通过地面站把数据传送给导弹或炮兵部队，引导它们实施进攻。苏联的伊尔-76型预警指挥飞机也是技术设备较先进的机型。
电子对抗飞机也是新出现的机种，用于对敌方的雷达、无线电通信设备和电子制导系统实施侦察、干扰和袭击，以支援和掩护突入敌防空区的作战飞机，通常用其他飞机改装而成。代表性机型有：美国的EF-111A 型电子干扰机，装有战术干扰系统、地形跟踪雷达、惯性导航系统、敌我识别系统等，可在较远距离使敌方防空雷达和防空导弹的制导系统瘫痪；美国的F-4G型反雷达攻击机，装有能对敌方雷达实施无源探测定位的设备和反辐射对地攻击导弹，这种导弹可在敌方雷达波束的被动制导下飞向并摧毁该雷达。
空中加油机出现于50年代后期，最初是为了提高B-52型轰炸机的续航力，后来用于给各类飞行中的飞机补充燃料，使其增大航程、增加有效载重和提高作战能力，通常由运输机改装而成。代表机型有美国的KC-135和KC -10型，苏联的图-16 和伊尔-76 型。KC-10 型是当前最大的空中加油机，可输油90吨，输油速度每分钟4.5 吨，可同时向三架小型飞机或一架大型飞机输油。
军用运输机用于运送军事人员、武器装备和其他军用物资，还可实施空降和空投。第二次世界大战以后，美国发展了配套齐全的运输机。小型的C -130型载重20吨，航程700 多公里，可在简易机场起降。中型的C-141 型载重40吨，航程近1 万公里。大型的C-5 型载重120 吨，可装载350 名士兵，或2 辆坦克，或6架武装直升机，或10枚战役战术导弹和发射车；航程1 万公里以上，可载运作战部队实施全球快速机动。苏联的安-124和安-225型战略运输机均大于C-5 型。安-225型起飞总重600 吨，最大载重250 吨，航程4500公里，是世界上最大的军用飞机。