自由飞行是1994年美国联邦航空局（FAA）提出的概念，由美国无线电技术委员会（RTCA）定义，使空中交通管理逐步由基于精细规则和程序、高度结构化的系统转变为更具灵活性的系统。相较之下，在传统的空中交通管理体系中，虽然飞行计划是由飞行员与管制员协同制定的，但起飞后，飞机必须沿特定的航线飞行，并将偏差控制在最小范围内（特殊情况，如遇恶劣天气时，允许临时修改航线，但必须得到管制员的提前批准）。需要指出的是，虽然自由飞行模式下飞行员将获得更高的自由度，但空中交通运行的最高决策权仍归属于管制部门，在机场容量受限、临近禁飞区等情形中，自由飞行将受到必要的限制。1971年，美国联合航空公司的W.考顿(William Cotton)提出了自由飞行概念的关键要素，尽管实现这些概念的技术能力在当时尚未具备。1973年启动的全球定位系统(GPS)建设，让民航业意识到利用该项技术提升空中交通运行效率的潜力。1991年，国际民航组织(ICAO)制订了“未来空中导航系统”(Future Air Navigation System; FANS)计划，提出了卫星技术在空中交通管理中的应用，并催生了“用户自定义航线”的概念。这一概念经过进一步发展，最终演变为“自由飞行”的概念。

1995年，美国联邦航空局(FAA)召集专项工作组，制订了自由飞行概念的实施计划。工作组于当年10月发布了《RTCA任务组3最终报告：自由飞行实施》，并建议按三个阶段分步施行。1998年，FAA联合航空研究机构与航空公司等部门制定了自由飞行第一阶段的实施计划，该计划部署至2002年。其中的关键技术包括：管制员-飞行员数据链通信(CPDLC)、用户请求评估工具(URET)、单中心的交通管理辅助工具(TMA)、联合决策(CDM)、场面运动辅助工具(SMA)以及被动式终端进近间隔管理工具(PFAST)。在开展自由飞行第一阶段计划的同时，美国同步启动了Flight 2000项目，后更名为“自由飞行运行提升”项目。该项目旨在演示并验证支持自由飞行的导航能力。在项目开展中，FAA试验了自由飞行的相关技术与流程，评估了技术过渡存在的问题以及新设备的应用对运行安全的影响。

由于自由飞行项目进度迟缓，新工具与现有空管系统协同能力不足，以及预期效益未能得到充分验证等问题，2002年完成第一阶段工作后，自由飞行项目中止。

欧洲也开展了自由飞行概念的相关研究工作。1997～1999年，荷兰航空宇航院(NLR)与美国国家航空航天局(NASA)合作开展了自由飞行下冲突探测与解脱、人机工效、安全性等研究。2000～2005年，欧盟资助开展了“地中海自由飞行”项目，通过飞行仿真和实际试飞验证的方式，对自由飞行的运行概念和潜在的优势进行了探索。

2005年之后，自由飞行研究的热度逐渐降低，但支撑这一运行概念的技术仍在发展。如FAA从2007年启动的“下一代空中交通系统”计划将发展基于性能的导航（PBN）技术，充分利用GPS卫星提升导航精度，摆脱地面导航设备对航线选择的限制，使得飞机可沿更短的航线飞行，从而提升运行效率、降低燃油消耗。2004年启动的“单一欧洲天空”空管研究项目（SESAR）对“自由航线”（free route）概念进行了研究，其主要理念是通过采用直飞航线，取得运行效率提升的目标。