La construcción del aeropuerto se planeó en tres fases. La primera fase comenzó en julio de 1997, y abrió al tráfico el 30 de diciembre de 2000. Sustituyó al antiguo Aeropuerto Jianqiao de Hangzhou, que era un aeródromo de uso civil y militar. En marzo de 2004, se convirtió oficialmente en un aeropuerto internacional después de que se construyeran y entraran en servicio las instalaciones de inmigración y aduanas.​ También se construyó una segunda pista de 3600 metros. En 2012 estaban en construcción extensiones de las terminales. El aeropuerto fue un centro de operaciones (hub) de CNAC Zhejiang. Después de la fusión de la aerolínea con Air China, esta última heredó este centro de operaciones de Hangzhou. KLM inauguró la primera ruta aérea intercontinental desde Hangzhou a Ámsterdam el 8 de mayo de 2010.​ En la tarde del 9 de julio de 2010, el aeropuerto se cerró durante una hora porque se detectó un objeto volador no identificado.​​​ El control del tráfico aéreo no pudo localizarlo en el radar y por prudencia cancelaron los aterrizajes. Se vieron afectados dieciocho vuelos.​ Aunque las operaciones normales se reanudaron cuatro horas después, el incidente capturó la atención de los medios chinos y desató una tormenta de especulaciones sobre la identidad del OVNI.​