1981年8月28日，美国空军宣布麦道为中标者，其方案货舱加驾驶舱的全尺寸模型深获空军好评。1984年9月11日至20日，美国空军由一位现役的运输机装载长，针对陆军和海军陆战队的使用需求，进行货舱装载测试。1985年12月，麦道获得总金额34亿美元的经费，C-17进入全尺寸发展阶段，以制造包括原型机在内的六架测试机。几经波折C-17原型机（编号T-1，87-0025）终于在1991年9月15日首飞。第一架生产型飞机也于1992年5月18日上天。随着试飞结束，转入批生产。1993年2月5日，美国空军宣布给C-17冠以“环球霸王III”的名字，这是因为在40年代末，道格拉斯公司生产了C-74（环球霸王I）与C-124（环球霸王II）。

计划停产

美国空军总共订购了222架C-17，最后一架已于2013年9月2日交付。由于没有更多的外销订单，波音公司表示，将于2015年年中关闭C-17军用运输机的生产线，比原计划提前三个月。为了挽救C-17，波音推销该型的民用型BC-17货机，但无人问津。

C-17采用大型运输机常规布局。机翼为悬臂上单翼，前缘后掠角25度，NASA翼梢小翼高2.90米。悬臂T形尾翼。垂直安定面与机身连接处向前伸有小背鳍，嵌入型方向舵分为上、下两段，升降舵分为两段。垂直尾翼有个特殊的设计，内部有一隧道形的空间，可让一位维修人员攀爬通过，以进行上方水平尾翼的维修。液压可收放前三点起落架，可靠重力应急自由放下。前起落架为双轮，主起落架为6轮。前起落架向前收入机身，主起落架旋转90°向里收入机身两侧整流罩内。可在铺设与未铺设的跑道上使用。起落架装有碳刹车装置。C-17运输机长度53米，高度16.8米，翼展51.81米，外形尺寸与C-141相当。最大起飞重量263吨。C-17沿用了DC-10飞机采用的先进复合材料结构和翼梢小翼技术。

C-17和将被它取代的C-141有一项特别的不同之处：在必要的情况下，可以在未整修的路面上短场紧急降落，原型机试飞员曾表示：C-17的落地就和战斗机一样，因此起落架必须格外坚固与耐震。主起落架减震支柱除了传统的油气压式减震外，还采用前后双支柱配置，每根支柱搭配三个主轮，落地时由后方较长的减震支柱三主轮先着地，当受压成90度时，前方减震支柱三主轮再落地。

C-17安装四具普惠（Pratt & Whitney）的PW2040涡轮风扇发动机，美军编号F117-PW-100。此型发动机的前身是PW2037，由普惠公司于1979年12月开始研发，推力为17,418千克，1983年12月通过联邦航空管理局（FAA）的认证，1984年12月开始装于波音757上使用。1988年普惠公司完成推力提升，将推力增加到18,915千克，并赋予新的型号PW2040。1988年12月获得军方认证安装在C-17上，当时此型发动机已累积了数百万飞行小时的使用经验，可靠且耐用。发动机以悬吊式挂架（cantilevered pylon）挂于机翼的前下方，每具挂架由数件铸铝螺桩结构与机翼相搭接，使外挂载和机翼间有连续的负载路径（loadpath）。

C-17发动机具有反向推力装置（thrustreverser），发动机罩的外型为滑套后缩（slides backward）双罩型，二罩间有一开口，当启动反向推力时，发动机排气经由此开口被导向前上方45度，因此不会吹起地面的砂石与尘土。另外在发动机运转时，不会影响卸货或是一些地面工作。反向推力装置也让C-17具备一项新的地面操作功能，可以在27.4米宽的跑道上进行180度的回转，也能在2.25g的情况下，于倾斜度2%的斜坡上后退。反向推力装置在飞机静止时也可以启动，不会有发动机过热的问题。

C-17驾驶舱内的乘员为3人，即正副驾驶员和货物装卸员，驾驶舱只设4个座位。用人如此少，因为座舱采用先进数字式航空电子系统，包括4个阴极射线管显示器和两个通用电气公司电子部的平显仪，集中显示各种信息，减轻了驾驶员的工作负担。机上采用通用电气公司的数字式电传操纵系统、汉尼韦尔公司的复式大气数据计算机。发动机以及飞行操纵数据也可由多功能显示器显示。导航通信可全频率调谐。任务和通信显示器具有频率和频道预先存储能力，它既可人工操纵又可使用预先编好程序的磁带来改变正在进行的飞行计划而不干扰导航系统。采用特里达因公司的操纵警告系统，主警告器可自动提供主系统的监控，并可在显示屏上显示可见监控信号，还可在机内通话系统中发出声响或语音信号。

C-17运输机另外装有德尔科电子公司的航空电子设备，包括任务计算机和电子操纵系统；汉密尔顿标准公司的飞机和发动机数据管理系统计算机；汉尼韦尔公司的自动测试设备和辅助系统数据采集和控制系统；特列丰尼克公司的无线电管理系统。除了正常的飞行信息外，显示系统还可提供飞机各系统的状态、必要的应急程序和常规的检查项目表等。

C-17容战略和战术空运能力于一身。在货舱设计上，尽管C-17外形尺寸和C-141差不多。但其货舱尺寸却与外形尺寸比C-17大的C-5“银河”相当。按能在货舱中两排布置6辆卡车的要求，货舱宽度为5.49米，长26.82米，高4.11米。吉普车可3辆并列，也可装运3架AH-64武装直升机。各种被空运的车辆可直接开入舱内。机舱中心线和机舱两壁可装折叠式座椅。空投能力包括空投27,215～49,895千克货物，或空降102名伞兵。为了装载陆军最重的装备——55吨重的M1主战坦克，货舱地板由铝合金纵梁加强，达到了60吨的最高承载能力。

C-17可顺利承载62吨的M1A2型主战坦克，地板上布置了系留环、导轨、滚珠、滚棒系统等设施，这些设施延伸到可在飞行中放下的货桥上，货桥上有货物降落伞拽出装置。每个系留环可承受11,340公斤拉力。C-17货舱门关闭时，舱门上还能承重18,150千克，几乎是C-130全机的装载量，而一般的运输机舱门通常只能堆放轻的货物。机身尾部两侧各有一跳伞舱门。尾部机身顶上和机翼前的机身顶上分别有两个水上降落应急出口。

1991年8月，美国空军第一个C-17运输机中队，位于南加州查尔斯顿（Charleston）空军基地的第437联队第17运输中队的飞行员开始接受C-17模拟机的飞行训练。1992年初，第17中队开始逐渐停止了C-141的飞行任务。1993年5月，第17中队接收第一架C-17。2002年初，美国与波音公司接近达成60架C-17S运输机合同。但因为美军对空军运输机的商业化运作的可行性进行研究，合同暂停签署。原合同总值估计在90亿美元以上，计划年产15架C-17S，最终使空军的现役运输机达到180架。下一批交付的C-17S将略有改进，包括改进副油箱、最新的全球空中交通管理装置和气象雷达等。

2002年8月，波音公司获得国防部总额达97亿美元的订货合同，用于生产60架C-17运输机，在2008年以前交付。2006年12月，美国空军授予波音公司一份采购10架18批次C-17飞机的合同，合同价值为20亿美元。2009年2月，美国空军与波音公司签署了购买15架C-17“环球霸王III”战略运输机的合同，总价值29亿美元。同年，美国国会与空军几经讨论，决定封顶购买222架C-17运输机的数量，2013年9月12日交付完成后暂停波音对美国空军的生产线。2014年4月7日，波音正式停产并关闭C-17生产线。2021年8月15日，在喀布尔机场，美军派出C-17运输机撤离美国大使馆工作人员。

英国皇家空军是首家C-17外国客户。英国并非购买C-17，而是采用租用方式，租期7年。合同明确规定不论任何原因，如果英国损失了C-17，必需按合同对波音公司进行赔偿。这一方式也是以往军用采购中所罕见的。C-17将布置在英国最大的作战基地布莱兹诺顿。该基地建造了能容纳5架C-17飞机的巨大机库。作为与波音和美国空军签定合同的一部分，英军第一批四名飞行员和四名装卸长从年初开始，在俄克拉何马州的阿尔特斯空军基地进行模拟和作战飞行培训。2001年6月28日，波音公司向英国政府交付了首批四架中的两架C-17。

2010年11月16日，波音公司在完成部件总装的典礼期间向英国皇家空军交付了第7架C-17“环球霸王Ⅲ”运输机。“第7架C-17加入机队是一个里程碑的标志，增强了全球行动的支援能力，特别是针对阿富汗等区域。”英国国防部军械后勤次长Peter Luff说道，“到2011年5月，将迎来首架C-17交付英国皇家空军的10周年纪念。”英国C-17舰队已经完成60000个飞行小时，在巴基斯坦、海地以及智利发生重大灾难事故后都参与了救援工作。2012年2月，最后一架也是第八架C-17交付皇家空军。

2009年11月印度国防部决定购买美国生产的C-17，而不愿购买价格比C-17低三倍的俄产伊尔-76。印度国防部公布了放弃采购伊尔-76，而采纳与C-17制造商波音公司所签合同的原因。印度方面认为，C-17维护起来更容易和简便；此外，与C-17相比，伊尔-76需要质量更高的跑道。在印度空军现代化改造计划框架内，印度国防部签订了采购10架由波音公司生产的C-17合同。这项价值达17亿美元的交易成为波音公司与印度的第二重大交易。2013年6月12日，波音公司向印度空军交付第一架C-17。2013年11月22日，印度购买的第5架C-17从美国长滩起飞，飞往印度新德里附近的印度空军基地。印度自从2013年7月获得第一架C-17以后，仅仅数月已经获得5架C-17运输机。到2015年4月，10架C-17已经全部交付完毕。

2015年3月30日加拿大空军司令在安大略省主持仪式，迎接第五架CC-177“全球霸王III”战略运输机正式加入加拿大空军服役。加拿大的CC-177是美国C-17战略运输机在加拿大的型号。第一个C代表加拿大(Canada)，为了和美军区分，编号为CC-177。

2008年7月11日，美国国防部合作局宣布卡塔尔正式提出后勤保障、培训和有关设备及服务的需要，计划采购两架C-17 Globemaster III飞机。保障协议总价达4亿美元。服务包括后期保障及培训、配件和修理件、保障设备、飞行工程师培训、通信设备、维修、人员培训和培训设备、出版物和技术资料、美国政府和承包商工程和后勤保障服务、飞机出厂的准备等。2009年8月，波音公司在其位于长滩的工厂内举行典礼向卡塔尔空军交付首架C-17。2012年12月10日，第四架也是最后一架C-17交付卡塔尔。

2010年1月7日波音公司宣布阿拉伯联合酋长国空军已经签署合约，将购买6架波音C-17型军事运输机。2011年5月10日美国波音公司在加利福尼亚州长滩市向阿拉伯联合酋长国交付了首批共6架C-17运输机。波音公司透露，这些飞机由波音设在长滩的工厂制造，阿联酋总共订购了11架，2011年7月前再交付3架，2012年将交付2架。阿联酋方面表示，这些飞机将用于执行人道主义救灾任务。

2006年4月，澳大利亚政府宣布计划购买4架C-17，价值总额约20亿美元。2006年12月，澳大利亚采购的4架C-17当中的首架已于12月4日抵达澳大利亚。该机将装备部署在布里斯班附近的Amberly皇家空军基地的第36中队。澳大利亚该项采购项目总值为16亿美元，其余3架飞机将于2008年前交付。2012年3月20日，澳大利亚国防部宣布继续增购2架C-17。

2021年8月15日夜间，阿富汗塔利班发布消息称，其已控制位于阿富汗首都喀布尔的总统府。据半岛电视台提供的画面显示，塔利班武装人员将武器放在阿富汗总统的办公桌上，面对媒体发表讲话。另一边可看到，在喀布尔机场，美军派出C-17运输机撤离美国大使馆工作人员，人群蜂拥而上，试图在舷梯升起时被拽上飞机逃跑。

2021年8月，美国“动力”网站“战区”专栏报道称，美国空军当天更正了上周日（8月15日）美国一架从阿富汗撤离人员的C-17运输机所搭载的乘客的人数。美国空军表示，实际上有823人当时在这架运输机上，这架运输机的呼号为“Reach 871”。

当地时间2024年9月12日下午，美军一架C-17“环球霸王-III”战略运输机在飞行期间“发生故障”，零件脱落掉在一所学校的停车场。报道称，位于美国南卡罗来纳州的查尔斯顿联合基地方面发布声明称，这架运输机在“飞行中出现故障”，之后安全着陆，但没有具体说明故障是什么。声明还称，“C-17的机组人员通知了查尔斯顿联合基地，在飞行过程中尾锥的一个零件掉落后返回基地。已派出小队找到了飞机掉落的部件，没有人员伤亡或财产损失报告。”目前，事故调查正在进行中。