פיתוח טיל האוויר-אוויר המונחה הראשון נוצר כחלק מפרויקט MX-798, שבו זכתה חברת יוז איירקראפט בשנת 1946, במקור הטיל כונה XF-98 מכיוון שהוא סווג כמטוס ללא טייס. שנועד להיות טיל תת-קולי לשימוש מפציצים לצורך הגנה עצמית, הניהוג שלו היה ידני, אך זה הוכח ככלי בעייתי מכיוון שהמטיס התקשה להגיב ולהעריך את המרחק כמו שצריך ולכן נדרש היה לפתח מערכת ביות. במהרה הפך הפרויקט לפיתוח טיל על-קולי בשם MX-904 בשנת 1947, ולאחר מספר שנים הוחלט להפוך את הטיל לשימוש מטוסי קרב, כחלק מתפיסת מטוסי היירוט שנבנתה בתחילת המלחמה הקרה. הטיל שוגר לראשונה בשנת 1949, ומאחר שבשלב זה חיל האוויר הגדיר לראשונה מה הוא טיל אוויר-אוויר ואוויר-קרקע, שמו של הטיל שונה שמו מספר פעמים. השם הסופי היה AIM-4 פלקון, וכך מוכר כיום הטיל חרף כינוייו הרבים. לטיל זה שני מאפיינים חריגים מהצפוי כיום: הוא יוצר בתחילה כדגם עם ביות מכ"ם פעיל-למחצה, ורק לאחר מכן עם ביות תת אדום, ונועד לנשיאה בתא פצצות פנימי. הטיל נכנס לשירות בשנת 1956.
טיל האוויר-אוויר הראשון מתוצרת ברית המועצות הוא ה-RS-U-1 (קוד דיווח נאט"ו "AA-1"), שפיתוחו החל בשנת 1952 ונכנס לשירות בשנת 1957. לטיל זה מטרות דומות - הוא נועד לשימוש במטוסי יירוט נגד מפציצים כבדים, אך היה קצת ארוך יותר (2.365 מטר) ותת-קולי.
הטיל הפופולרי ביותר מבין טילי האוויר-אוויר המערביים ה-AIM-9 סיידווינדר נכנס לשרות 1958, הטיל היה מתקדם מאוד לזמנו מה שגרם מספר חיקויים ביניהם השפריר 1 ווימפל K-13. ועל בסיס עיצובו מבוססים מרבית טילי אוויר-אוויר.
על מרבית דגמי הטילים הורכב ראש קרב של חומר נפץ, בשילוב עם מרעום קרבה במשקל של כ-10 ק"ג, אך ישנם חריגים במהלך ההיסטוריה: טילים עם רש"ק מוקטן (כגון המולניה R-60 (קוד דיווח נאט"ו "AA-8"), עם רש"ק בעל 3 ק"ג), וטילים עם רש"ק אטומי. ההיגיון מאחורי שימוש ברש"ק אטומי גם הוא תוצר של תורת היירוט, שטענה שיש ליצור מיירטים מהירים, על-קוליים ובעל חימוש מועט, לצורך הפלת להקי מפציצים כבדים החמושים בנשק אטומי. רש"ק אטומי יכול להבטיח השמדה מוחלטת של מפציצים רבים, אך על מנת להגן על משגריו עליו להיות בעל טווח פעולה גדול.
מדינות רבות כיום מפתחות ומייצרות טילי אוויר-אוויר. בין המובילות בתחום זה – ישראל (עם הפיתון מתוצרת רפא"ל), ארצות הברית (AIM-9X סיידווינדר, AIM-120 אמראם), רוסיה (וימפל R-73 - קוד דיווח נאט"ו "AA-11"), ומדינות האיחוד האירופי (אנגליה - AIM-132 אסראם, גרמניה ועוד - IRIS-T).
מבנה.
בדומה לטיל רגיל, גם לטילי אוויר-אוויר צורת צינור מוארך, עם מנוע רקטי. עם השנים, ובעיקר הודות לסיידווינדר האמריקאי, עוצבה דמותו של טיל האוויר-אוויר בצורה דומה, ללא תלות ביצרנים ובמפתחים:
ישנה תצורה עתידית (המיושמת בטיל MBDA מטאור), שבה הטיל מונע בעזרת מנוע סילון מסוג מנוע מגח סילון המוזן בדלק נוזלי, כאשר כונסי האוויר ממוקמים במרכז הגוף. טילים כאלו מיועדים לטווחים ארוכים (מעל 100 ק"מ), ומשתמשים בביות מכ"ם פעיל.
מקטעי הטיל.
נהוג כיום לחלק את הטיל למקטעים שונים:
מרעום המגע ממוקם לרוב לפני הרש"ק, ואילו מרעום הקרבה ממוקם לרוב בתוך ראש הביות.
היגוי.
ישנן שלוש תצורות כנפוני ניהוג בטילי אוויר-אוויר:
לרוב הניהוג מתבצע בעזרת הכנפונים הקדמיים, היכולים להמשיך בניהוג גם כאשר מנוע הטיל כבה, אך ישנם טילים מודרניים שבהם משתמשים בניהוג וקטורי המתעל את דחף המנוע לצורך כיוון הטיל למטרה. לשיטה זו חיסרון בולט: אין המשך ניהוג לאחר כביית המנוע, ומכאן שהטווח היעיל קצר יותר. הדוגמה המתקדמת ביותר לניהוג קלאסי הוא פיתון 5 הישראלי, שבו בסך הכול 14 משטחי ניהוג וייצוב, ואילו מהצד השני ניצב ה-AIM-132 אסראם האנגלי, בעל 4 משטחי ייצוב בלבד.
תהליך השיגור של טיל אוויר-אוויר מתחיל תמיד בנפילה חופשית של הטיל, כשרק לאחר כחצי שנייה מופעל המנוע ומתחיל הניהוג לכיוון המטרה. זאת על מנת למנוע מהטיל לפגוע במטוס המשגר. כלל הטילים מסתחררים בזמן המעוף אל המטרה, ועל מנת לרסן את מומנט הגלגול שנוצר משתמשים במשטחי זנב וייצוב רחבים. פתרון נוסף יושם בטילי סיידווינדר (ובחיקוייו הרבים) - בקצוות הזנבונים הותקנו גלגלות משוננות בעלות תנועה חופשית סביב ציר, העוזרות בייצוב הטיל על פי עקרון אינרציית הגירוסקופ (תנועה על ציר אחד תתנגד לתנועה על ציר מנוגד; או - מה שזז קדימה או אחורה לא יזוז לצדדים).
ביות, מעקב ופגיעה.
על מנת שהטיל ייפגע במטרה, עליו לבצע מספר פעולות: חיפוש, ביות, נעילה ומעקב וביות סופי. אלו נעשות תוך שילוב של ראש הביות וראש ההנחיה, ובטילי מכ"ם גם בעזרת המטוס המשגר.
הביות מתבצע באמצעות אחת או מספר שיטות:
לאחר שלב החיפוש והביות, על הטייס או מחשב המטוס לאשר נעילה של הטיל. מרגע זה הטיל יעקוב רק אחרי מטרה זו, עד שיוחלט אחרת, או עד שיגורו מהמטוס.
לאחר השיגור, הטיל מחשב את הדרך היעילה ביותר לפגוע במטרה. הניהוג אל המטרה בטילים קלאסיים היה פשוט: הטיל נע כל העת בכיוון מטוס המטרה (לרוב - אחר מנוע המטרה), ושינה את כיוון התקדמותו בדיוק לפי תוואי התנועה של המטרה (מצב זה מכונה מרדף כלב - מפני שכלבים עוקבים אחרי מטרתם בדיוק לפי תוואי הדרך של המטרה). תרחיש זה נועד להסתיים במצב שבו הטיל נע בדיוק מאחורי המטרה, כשיעדו הוא להדביק את המטרה בקצב הפרשי המהירות בינו לבין המטרה (על פי מהירות הסגירה). למעשה, ניווט זה היה נפוץ בטילים מיושנים ואיפשר תוואי ניהוג כמעט יחיד שנע בקו ישר - במקרה של תמרוני חמיקה חזקים הטיל היה סוטה מהדרך ומאבד נעילה. כיום ישנם טילים רבים, ובראשם הפיתון הישראלי, המסוגלים לתכנן מסלול פגיעה מורכב שיתגבר על כל תמרון חמיקה מצד מטוס המטרה, ואף מאפשרים פגיעה במספר מקומות שונים במהלך המסלול. ניווט כזה הוא למעשה ניווט יחסי (מרדף חתול, מכיוון שחתול מקצר את הדרך אל המטרה) שבו הטיל חותר למגע בנקודה מרוחקת שאליה תגיע המטרה, תוך שמירת קשר עין רציף עם המטרה.
כאשר הטיל מגיע לקרבת המטרה הוא נכנס למסלול ביות סופי. אם הטיל מפספס פגיעה ישירה, מופעל מרעום קרבה המפוצץ את הטיל, הקיים מכיוון שסיכויי הפגיעה במדויק נמוכים יחסית לסיכויי החליפה (כלומר - מצב שבו הטיל והמטרה יחלפו זה על פני זה). במרבית הטילים נדרך מרעום הטיל רק לאחר מאות מטרים ממרחק המטוס המשגר, על מנת למנוע הפלת עמיתים או הפלה עצמית. טילים ישנים פגעו אך ורק באזור צינור הפליטה של המטוס, אך טילים מתקדמים מתוכננים לפגיעה במרכז הגוף, על מנת להביא להפלה ודאית (וזהו עוד שימוש במצב HOJ בטילי מכ"ם - מכיוון שהמכ"ם נמצא בחזית המטוס, ביות סופי עליו יוביל את הטיל לאזור מרכז המטרה).
המרעום מפעיל את ראש הקרב של הטיל. לרוב מדובר בחומר נפץ מרסק שעטוף בגליל של מוטות מתכת (לדוגמה: פלדה או טיטניום) המרותכים זה לזה בקצוות מנוגדים. אלה נפתחים למעין רשת עגולה ורחבה, שמטרתה לקרוע את גוף המטוס בצורת זיג-זג.
טיל אימונים הוא למעשה צינור חלול החסר את הרקטה והרש"ק, אך ראש הביות והנחיה שלו מחובר ופעיל. ייעודו הוא לסייע לטייסים להבין את תפקוד ראש הביות בשעת לחימה. הטילים לא משוגרים בזמן לחיצה על כפתור השיגור, אך כללים מוסכמים מראש קובעים האם מטוס היריב הופל או לא. טילים אלו מסומנים לרוב בצבע כחול.
טווח פעולה.
לרוב, טילים מתפרסמים עם טווח הפעולה המרבי שלהם, אך נתון זה מטעה. טווח הפעולה היעיל של טיל אוויר-אוויר תלוי במשתנים רבים של מטוס המטרה, כגון מהירות, גובה, זווית, כיוון טיסה ותמרוני חמיקה. לדוגמה, טיל וימפל R-77 (קוד דיווח נאט"ו AA-12) הוא בעל טווח מוצהר של 100 ק"מ, אך נתון זה מדבר על מטרה הטסה חזיתית לטיל, בגובה רב, וללא תמרונים. בגובה נמוך, הטווח יורד בכ-75%, כלומר - לכ-20 ק"מ. אם המטרה תתמרן ותנסה להתחמק מהטיל בדרכים שונות, הטווח ירד עוד יותר, עד לכ-5 ק"מ בלבד.
הטווח היעיל של טילי אוויר-אוויר, שבתוכו סיכויי המטרה להימנע מפגיעה לאחר שיגור הטיל הם אפסיים, נקרא שטח הריגה (No Escape Zone).
טייסים בעלי הכשרה ירודה ומוטיבציה נמוכה, ידועים בנטייה לירות את הטילים מהמטוס מהטווח המקסימלי האפשרי, ולהפיל עקב כך מספר אפסי של מטוסי אויב כך לדוגמה במהלך מלחמת אתיופיה אריתריאה (1998-2000), טייסי קרב משני הצדדים נהגו לירות טילים לטווח בינוני מדגם וימפל R-27 (קוד דיווח נאט"ו AA-10) בקצה מעטפת הפעילות שלהם, ונחלו הצלחה מועטה בלבד; אך כאשר טייסים אתיופיים אמיצים החליטו להתקרב ולירות מטווח קצר טילי וימפל R-73 (קוד דיווח נאט"ו AA-11), מרבית הטילים פגעו במטרותיהם.
התגוננות מפני טילים.
כמובן מאליו בכל כלי נשק, מיד עם כניסת טיל האוויר-אוויר לשימוש, הומצאו שיטות ההתגוננות מפני כלי הנשק החדש.
הבסיס לכל שיטות החמיקה הוא עקרונות הביות והמעקב של הטיל הנורה לעבר החומק, כך שבמקרה של טילים מיושנים הנעים בקו ישר, ננקטו אותן שיטות לחמיקה ממטוסים - שבירה פתאומית של כיוון הטיסה היה מספיק בתחילה לצורך ניעור הטיל מגב הנרדף. עם התחכמות הטילים, פותחו דרכים נוספות: נגד טילים מבויתי חום, נוצרו נורי הטעיה מבוססי מגנזיום בעלי בעירה חזקה במיוחד, שהטעתה את ראש הביות וגרמה לו לפגוע בהם במקום במטרה, ובמהרה נוספה לנורים גם החובה לשבור כיוון טיסה, כך שהנורים ימשיכו בכיוון הטיסה המקורי ויטעו את הטיל.
נגד טילים מונחי מכ"ם הכניסו לשימוש את אמצעי המוץ שהוא סלילי מתכת המחזירים את הדי המכ"ם ומטעים את ראש הביות. במקור פותח המוץ נגד מכ"מים קרקעיים, והתגלה כיעיל אף יותר נגד טילים בעלי מכ"ם קטן.