Năm 1960, lực lượng Thủy quân Lục chiến Hoa Kỳ bắt đầu tìm kiếm một trực thăng vận tải mới thay thế cho loại HR2S sử dụng động cơ píttông 5 thì Pratt & Whitney R-2800. Từ ngày 27 tháng 1 năm 1961, Thủy quân lục chiến cùng với 3 binh chủng khác của quân đội Hoa Kỳ bắt đầu nghiên cứu dự án chế tạo máy bay vận tải lên thẳng về sau này trở thành loại máy bay cánh thẳng có trục cánh xoay được, mang tên mã là XC-142A. Tuy nhiên về sau các đối tác dần dần rút lui khỏi dự án và mặc được đánh giá tốt, XC-124A không bao giờ được sản xuất và triển khai vào quân đội.[2]

Tháng 3 năm 1962, cục vũ khí Hải quân Hoa Kỳ, thể theo yêu cầu của phía Thủy quân Lục chiến, đã yêu cầu cung cấp cho quân đội một loại trực thăng vận tải hạng nặng (Heavy Helicopter Experimental / HH(X)) có tải trọng 8.000 pound (3.600 kg), tầm hoạt động 100 hải lý (190 km; 120 dặm) tại vận tốc 150 hải lý trên giờ (280 km/h; 170 mph). HH(X) dự kiến sẽ được dùng trong nhiệm vụ chuyên chở binh lực, cứu hộ, di tản cấp cứu, vận chuyển vũ khí nặng đến trận tuyến.[2]

Để đáp ứng yêu cầu này, hãng Boeing Vertol đề xuất một phiên bản cải sửa của CH-47 Chinook; Kaman Aircraft đề xuất một phiên bản của trực thăng Fairey Rotodyne; và Sikorsky đề xuất một thiết kế dựa trên S-61R với kích thước lớn hơn, 2 động cơ tuốc bin trục General Electric T64 và hệ thống truyền động lấy từ S-64. Mẫu này được đặt tên định danh là S-65. Thiết kế của Kaman bị loại bỏ khi chính phủ Anh ngưng đầu tư vốn cho dự án Rotodyne, trong khi đó hai thiết kể của Boeing Vertol và Sikorsky thì tranh đấu rất quyết liệt cho gói thầu này, trong đó ban đầu Chinook có lợi thế vì nó đã từng được thử thách qua quá trình sử dụng trong quân đội Hoa Kỳ. Tuy nhiên Sikorsky đã đầu tư hết mọi khả năng, quyết tâm chiến thắng trong cuộc cạnh tranh và cuối cùng họ thắng thầu vào tháng 7 năm 1962.[2]

Ban đầu, thủy quân lục chiến tính mua 4 mẫu thử nghiệm nhưng khó khăn tài chính khiến dự định này khó thực hiện. Tuy nhiên Sikorsky vẫn quyết thực hiện bằng được gói thầu và vì vậy họ giảm ước tính về vốn đầu tư cho dự án và tuyên bố chỉ cần 2 mẫu thử nghiệm là có thể xong kế hoạch. Quân đội Mỹ cũng ủng hộ dự án và vào tháng 9 năm 1962 Sikorsky được giao một gói thầu trị giá dưới 10 tỷ Mỹ kim để chế tạo 2 mẫu thử nghiệm "YCH-53A" cùng với 1 mô hình và 1 dàn khung trực thang dành cho việc thử nghiệm trên mặt đất.[2]

Quá trình phát triển trực thăng gặp nhiều trục trặc do thiếu hụt nguồn vốn cũng như do thất bại của các nhà thầu phụ, ngoài ra còn có vấn đề đến từ bộ trưởng quốc phòng thời đó là Robert S. McNamara yêu cầu quân đội phải sử dụng "thống nhất" một hệ trực thăng, tức là sử dụng Chinook thay vì Sikorsky, tuy nhiên phía thủy quân lục chiến cương quyết bảo lưu ý kiến cũ, lấy lý do là mẫu thiết kế của Chinook không đạt một số yêu cầu do họ đưa ra và nếu muốn đạt các yêu cầu đó thì phải tốn rất nhiều chi phí phát triển, cải sửa.[2] Cuối cùng, sau khi xử lý xong các khó khăn phát sinh, mẫu YCH-53A thực hiện chuyến bay đầu tiên tại nhà máy của Sikorsky ở Stratford, Connecticut vào ngày 14 tháng 10 năm 1964, trễ 4 tháng so với hạn định. Trước đó, vào tháng 9 phía thủy quân lục chiến đã đặt hàng sẵn 16 chiếc Sikorsky. Dầu sau, các đợt bay thử nghiệm tiến hành thuận lợi hơn dự kiến và điều này giúp bù đắp phần nào cho thời gian trễ nải trong quá trình phát triển. Mẫu trực thăng này được quân đội đặt tên định danh là "CH-53A Sea Stallion".[2] Việc bàn giao các chiếc CH-53 cho quân đội thực hiện vào năm 1966.[3]

CH-53A tham chiến tại Việt Nam lần đầu tiên vào tháng 1 năm 1967 và tỏ ra hữu dụng, ví dụ nó có thể thu hồi được nhiều máy bay bị bắn hạ hơn cả CH-54. Tổng cộng có 141 chiếc CH-53A được chế tạo, tính cả hai chiếc nguyên mẫu thử nghiệm.[2] Trong đó, 15 chiếc được Thủy quân Lục chiến chuyển giao cho phía Hải quân để thực hiện nhiệm vụ chống thủy lôi. 15 chiếc này trang bị các động cơ T64-GE-413 mạnh hơn và mang mã định danh là "RH-53A".[2]

Hải quân Hoa Kỳ cũng yêu cầu sản xuất một phiên bản CH-53 mang tên là HH-53B vào tháng 9 năm 1966, mẫu này bay lần đầu tiên vào ngày 15 tháng 3 năm 1967. Nó có gắn thêm một vòi tiếp liệu, khoang nhiên liệu phụ, một cần trục cứu hộ và các động cơ. Không quân Hoa Kỳ sử dụng phiên bản HH-53B dành cho nhiệm vụ tìm kiếm tác chiến và cứu hộ (combat search and reascue - CSAR).[4] Mẫu HH-53C cũng là một mẫu tìm kiếm-cứu hộ được cải tiến, với dung chứa 450 galông Mỹ (1.700 L), nhỏ hơn, nhằm tăng hiệu năng tác chiến, cùng với vỏ giáp tốt hơn và hệ thống thông tin liên lạc hiện đại hơn. Mẫu CH-53C cũng giống như vậy nhưng không có vòi tiếp liệu. Nó được không quân Hoa Kỳ sử dụng trong các nhiệm vụ chuyên chở, vận tải nói chung.[5]

Nâng tải nặng trong điều kiện nhiệt đới yêu cầu sức nâng mạnh hơn, vì vậy Hải quân Hoa Kỳ quyết định đặt hàng một phiên bản nâng cấp của Stallion là "CH-53D" với động cơ mạnh hơn, ban đầu là loại T64-GE-412, sau là T64-GE-413. Động cơ mạnh cũng buộc CH-53D phải có một hệ thống truyền động được nâng cấp và nội thất được cải tạo lại để chứa được 55 người.[2] CH-53D bay lần đầu vào ngày 27 tháng 1 năm 1969 và hoạt động cùng với CH-53A cho đến hết chiến tranh tại Việt Nam. Một phiên bản cải sửa dành cho việc chuyên chở các yếu nhân mang tên "VH-53D" với các nội thất sang trọng hơn được Hải quân Hoa Kỳ sử dụng để phục vụ cho các chuyến bay của Tổng thống Hoa Kỳ.[2]

Một phiên bản khác của CH-53D, mang tên là RH-53D, cũng được Hải quân dùng trong công tác rà phá thủy lôi. Nó được trang bị dụng cụ quét mìn, 1 cặp súng máy M2 Browning .50 BMG (12,7 mm) để phá nổ thủy lôi. Có 30 chiếc RH-53D phục vụ trong Hải quân từ năm 1973. Về sau nó được gửi trả lại Thủy quân Lục chiến và hoạt động dưới tên CH-53A.[2]

Trong thập niên 1980, công ty Israel Aircraft Industries cùng với hãng công nghệ quân sự cấp cao Elbit Systems đã tiến hành nâng cấp dàn CH-53 Yas'ur. Dự án nâng cấp kéo dài đến năm 1997 và có nội dung cải thiện hệ thống điện tử, độ bền và kéo dài tuổi thọ thêm ít nhất 2 thập niên. Một đợt nâng cấp khác diễn ra vào cuối thập niên 1990, trong hoàn cảnh chưa có trực thăng hoàn toàn mới nào thay thế cho các mẫu CH-53 hiện có; nội dung của gói nâng cấp cũng bao gồm gia cố, sửa chữa giàn khung và thêm các thiết bị điện tử mới do Israel sản xuất nhằm kéo dài tuổi thọ, tăng cường sức chiến đấu và bổ sung các tính năng mới cho trực thăng. Israel hy vọng là các trực thăng Yasur sẽ có khả năng hoạt động cho đến năm 2025.[6][7][8]

Năm 1989, một số chiếc CH-53A đã ngừng hoạt động trong Thủy quân Lục chiến chuyển sang phục vụ trong công tác huấn luyện của Không quân với tên hiệu mới là "TH-53As". Phiên bản này bị gỡ bỏ phần lớn các trang thiết bị tác chiến và sơn màu ngụy trang của Không quân.[2]