Sân bay Nà Sản được người Pháp xây dựng vào khoảng năm 1950, phục vụ cho nhu cầu đi lại của những người thực dân Pháp, sau khi họ chiếm lại được quyền kiểm soát được vùng Sơn La từ tay Việt Minh. Ban đầu, sân bay có một đường băng ngắn với nền đất nện; về sau được mở rộng kéo dài thêm và có nền lát ghi sắt, có thể đáp ứng cho loại máy bay Dakota cất và hạ cánh.

Cuối tháng 10 năm 1952, trước sự uy hiếp của lực lượng Quân đội Nhân dân Việt Nam ở vùng Nghĩa Lộ, có khả năng gây nên sự sụp đổ của tuyến phòng thủ ở phía tây sông Đà; tướng Salan, Tổng chỉ huy quân đội Pháp tại Đông Dương, đã quyết định rút tất cả lực lượng còn lại về Nà Sản. Người Pháp đã xây dựng một tập đoàn cứ điểm tại đây, xung quanh sân bay Nà Sản, nhằm ngăn chặn sức tiến công của quân Việt Minh.

Từ ngày 30 tháng 11 đến ngày 2 tháng 12 năm 1952, quân Việt Minh tấn công Nà Sản và đã đánh chiếm được một số cứ điểm tại đây, nhưng không đủ sức đánh chiếm tập đoàn cứ điểm. Sân bay Nà Sản trở thành cảng tiếp vận hàng không hữu hiệu giúp cho quân Pháp cầm cự trước sức tấn công của quân Việt Minh. Vì vậy, Tổng chỉ huy quân Việt Minh, tướng Võ Nguyên Giáp đã quyết định chuyển sang thế bao vây, cô lập quân Pháp tại đây cho đến khi họ rút lui khỏi Nà Sản vào đầu năm 1953.

Sau năm 1954, sân bay Nà Sản bị bỏ hoang một thời gian. Mãi đến đầu thập niên 1960, chính quyền Việt Nam Dân chủ Cộng hòa mới quyết định khôi phục lại hoạt động của sân bay nhằm phục vụ nhu cầu đi lại đường không của vùng Tây Bắc. Tuy nhiên, không lâu sau, sân bay một lần nữa bị đóng cửa do lượng khách đi lại khi đó còn rất ít.

Đến năm 1994, sân bay tái hoạt động trở lại thêm 10 năm nữa, từ năm 1994 đến 2004. Ngày 17 tháng 5 năm 2004, sân bay một lần được "đóng cửa" để sửa chữa, nâng cấp, mở rộng đường băng với tổng vốn dự kiến khoảng 550 tỷ đồng (giai đoạn 1). Nhưng cho đến hết năm 2009, sân bay Nà Sản vẫn chưa có vốn đầu tư để thực hiện việc nâng cấp. Nguyên do trong việc chậm trễ nâng cấp sân bay là do kém hiệu quả kinh tế khi chỉ cách Hà Nội 300 km về phía Tây Bắc và cách sân bay Điện Biên Phủ 180 km về phía Nam.