초기 비행 기계 공기보다 무거움
직렬 및 브이형은 계속 인기를 끌었으며, 독일 회사 메르세데스는 일련의 수랭식 6기통 모델을 생산했다. 1913년에 그들은 매우 성공적인 75 킬로와트 (101 hp) D.I 시리즈를 도입했다.
복엽기의 가벼움과 강점은 두 날개가 너무 가까이 배치되어 발생하는 비효율성으로 상쇄된다. 복엽기 디자인과 단엽기 디자인은 서로 경쟁했으며, 1914년 전쟁 발발 시점에도 둘 다 생산되고 있었다.
주목할 만한 발전이지만 실패로 끝난 것은 최초의 캔틸레버 단엽기였다. 1911년의 앙투아네트 모노블록은 완전히 밀폐된 조종석과 유선형 착륙 장치를 갖추었지만, V-8 엔진의 50 마력 (37 kW) 출력으로는 고작 몇 피트 이상을 비행하기에 충분하지 않았다. 더 성공적이었던 것은 데페르뒤생 버팀대 단엽기로, 모리스 프레보가 조종하여 1913년 제1회 슈나이더 트로피 레이스에서 우승했으며, 10 km (6.2 mi) 코스를 28바퀴 완주하며 평균 속도 73.63 킬로미터 매 시 (45.75 mph)를 기록했다.
삼엽기도 실험 대상이었는데, 특히 영국의 선구자 알리엇 버던 로가 1909년에서 1910년 사이에 제작한 일련의 삼엽기가 주목할 만했다. 4개의 날개를 가진 사엽기도 드물게 등장했다. 많은 수의 매우 얇은 날개를 가진 다엽기도 실험되었으며, 호레이쇼 필립스가 가장 성공적이었다. 그의 최종 시제품은 이 아이디어의 비효율성과 낮은 성능을 확인시켜 주었다.
날개 디자인에 대한 다른 급진적인 접근법도 시도되고 있었다. 스코틀랜드 태생의 발명가 알렉산더 그레이엄 벨은 세포형 팔면체 날개 형태를 고안했는데, 다엽기처럼 실망스럽게도 비효율적임이 입증되었다. 다른 성과가 미진했던 비행체로는 에드워즈 롬보이드, 리-리처드스 원형 날개, 그리고 탠덤으로 여러 개의 날개를 앞뒤로 배치한 디자인 등이 있었다.
이러한 초기 실험 형태 중 상당수는 원칙적으로 매우 실용적이었으며 이후 다시 등장하기도 했다.
초기 작업은 주로 항공기를 비행할 만큼 안정적으로 만드는 데 집중했지만 완전한 조종성을 제공하지 못했으며, 라이트 형제는 플라이어를 완전히 조종할 수 있도록 안정성을 희생했다. 실용적인 항공기는 둘 다 필요하다. 비록 여러 디자인에서 안정성이 달성되었지만, 원리는 완전히 이해되지 않았고 진전은 불규칙했다. 보조 날개는 점차 횡방향 제어를 위해 날개 뒤틀림을 대체했지만, 설계자들은 때때로 블레리오 XI와 같이 잠시 날개 뒤틀림으로 돌아가기도 했다. 마찬가지로, 전방향 조종 꼬리 표면은 경첩식 조종 표면이 부착된 고정 안정기로 대체되었다. 초기 라이트 플라이어의 카나드 푸셔 구성은 트랙터 프로펠러 항공기 디자인으로 대체되었다.
프랑스에서는 비교적 빠르게 발전했다.
1906년 10월 23일과 11월 12일, 브라질의 알베르토 산토스뒤몽은 프랑스에서 그의 14-bis로 공개 비행을 했다. 돌출된 날개 이중각을 가진 카나드 푸셔 복엽기였으며, 하그레이브 스타일의 박스 셀 날개와 전방에 장착된 "박스 연" 조립체가 승강타와 방향타 모두로 작동하도록 움직일 수 있었다. 그의 비행은 프랑스 항공 클럽에 의해 검증된 동력 공기보다 무거운 기계의 최초 비행이었으며, 25 미터 (82 ft) 이상의 공식적으로 관측된 비행으로 데이치-아치디콘 상을 수상했다. 나중에 21.5초 동안 220 미터 (720 ft)를 비행하여 국제 항공 연맹이 인정한 최초의 세계 기록을 세웠다. 이 비행기는 횡방향 제어 장치가 없었으므로, 이 비행 이후 11월 말에 그는 날개 사이에 보조 표면을 원시적인 보조 날개로 추가하고 몇 번 더 비행했다.
다음 해 루이 블레리오는 블레리오 VII를 비행했는데, 이는 수평 꼬리 표면을 통합된 승강타와 보조 날개로 사용하여 완전한 3축 제어가 가능한 트랙터 단엽기였다. 이 단엽기의 직계 후손인 블레리오 VIII은 1908년 4월에 현대 항공기 비행 제어 시스템의 인지 가능한 요소를 모두 결합한 최초의 기체였다. 호레이쇼 필립스와 트라이안 부이아가 실패했던 곳에서 블레리오는 최초의 실용적인 트랙터 단엽기였으며 프랑스 항공의 트렌드의 시작을 알렸다. 1909년까지 그는 이 구성을 발전시켜 블레리오 XI가 영국 해협을 횡단할 수 있게 되었는데, 이는 꼬리 표면을 승강타로만 사용하고 횡방향 제어를 위해 날개 뒤틀림을 사용하는 등 여러 개선 사항을 통해 이루어졌다. 1907년에 등장한 또 다른 디자인은 부아쟁 복엽기였다. 이 비행기는 횡방향 제어를 위한 장치가 없었으며, 방향타 제어만으로 얕은 선회만 가능했지만, 그 해에 앙리 파르망에 의해 점점 더 성공적으로 비행되었다. 1908년 1월 13일, 그는 자체 동력으로 이륙하고 착륙하는 공식적으로 관측된 1km 폐쇄 회로 비행을 완료한 최초의 비행사로 5만 프랑의 데이치 드 라 뫼르트-아치디콘 그랑프리 드 라비아시옹을 수상했다.
프랑스 선구자 레옹 르바바쇠르의 디자인은 그가 설립한 앙투아네트 회사 이름으로 더 잘 알려져 있다. 그의 1908년 앙투아네트 IV는 꼬리날개와 핀이 각각 움직이는 제어 표면을 가지고 있고 날개에 보조 날개가 있는 현재의 전통적인 구성의 단엽기였다. 보조 날개는 충분히 효과적이지 못했고 후기 모델에서는 날개 뒤틀림으로 대체되었다.
1908년 말, 부아쟁 (항공기) 형제는 앙리 파르망이 주문한 항공기를 J. T. C. 무어-브라바존에게 팔았다. 화가 난 파르망은 보아쟁 디자인을 개조하여 보조 날개를 추가한 자신만의 항공기를 제작했다. 꼬리 표면과 보조 날개에 대한 추가적인 수정 후 파르망 III는 1909년에서 1911년 사이에 가장 많이 팔린 항공기가 되었고 널리 모방되었다. 영국에서는 미국 출신인 새뮤얼 코디가 1908년에 라이트 플라이어와 유사한 레이아웃의 항공기를 비행했는데, 대형 전방 승강타뿐만 아니라 꼬리 날개도 통합했다. 1910년, 날개 사이 보조 날개를 장착한 개선된 모델은 미쉐린 컵 경쟁에서 우승했으며, 제프리 드 하빌랜드의 두 번째 파르망 스타일 항공기는 상단 날개에 보조 날개가 있었고 왕립 항공기 공장 F.E.1이 되었다. 파르망 III의 복제본인 브리스톨 박스카이트는 대량 생산되었다. 미국에서는 글렌 커티스가 먼저 AEA 6월 벌레를 비행하고 그 다음 그의 골든 플라이어를 비행했는데, 1910년에 최초의 해군 갑판 착륙 및 이륙을 달성했다. 한편, 라이트 형제 자신들도 안정성과 제어를 동시에 달성하는 문제와 씨름하며, 먼저 꼬리에 두 번째 작은 평면을 추가하고 마지막으로 앞날개를 완전히 제거하기 전에 앞날개로 추가 실험을 했다. 그들은 1910년에 2인승 모델 B를 발표하고 1911년에 버제스 모델 F로 생산 허가를 받았다.
다른 급진적인 레이아웃들도 시도되었지만, 소수만이 가능성을 보였다. 영국에서는 J. W. 던이 원뿔형 상부 표면을 가진 후퇴 날개형의 꼬리 없는 푸셔 디자인 시리즈를 개발했다. 그의 D.5 복엽기는 1910년에 비행했으며 완벽하게 안정적임이 입증되었다. 던은 완전한 3축 제어를 의도적으로 피하고, 대신 조작하기 더 쉽고 실제적으로 훨씬 안전하다고 여겨지는 시스템을 고안했다. 던의 시스템은 널리 채택되지 않았다. 그의 꼬리 없는 디자인은 D.8에서 정점에 도달했는데, 이 기종은 프랑스에서 뉴포르에 의해, 미국에서는 버제스-던으로 라이선스 생산되었지만, 던이 장교였던 영국 육군에서는 전투에서 충분히 기동성이 없기 때문에 실용적인 전투기로서 거부되었다.
1901년 오스트리아에서 빌헬름 크레스는 동력 부족으로 인해 드라헨플리거 이륙에 실패했다. 이 비행기는 알루미늄으로 만든 쌍동선과 탠덤으로 세 개의 날개를 가진 플로트플레인이었다.
1910년 프랑스에서 앙리 파브르는 자신의 수륙양용기로 최초의 수상 비행기 비행을 했다. 이것은 복엽기 전방 날개와 삼륜 레이아웃의 세 개의 짧은 플로트를 가진 단엽기였다.
1912년 세계 최초의 수상 비행기 항공모함인 프랑스 해군의 푸드르(Foudre)는 첫 플로트플레인인 부아쟁 카나드를 탑재했다.
초기 수상 비행기의 문제점은 속도가 증가할수록 물과 항공기 사이에 흡입력이 생겨 항공기를 붙잡아 이륙을 방해하는 경향이 있었다는 점이다. 영국 디자이너 존 시릴 포르테는 이 흡입력을 깨기 위해 항공기 바닥에 계단식 구조를 두는 기술을 발명했고, 이는 1914년 커티스 모델 H에 통합되었다.
1909년에 항공기는 여전히 연약했고 실용적인 용도는 거의 없었다. 제한된 엔진 출력은 효과적인 페이로드가 극히 제한적임을 의미했다. 기체의 기본적인 구조 및 재료 기술은 주로 경목 재료 또는 강철 튜브로 구성되었으며, 강철 와이어로 보강되고 인화성 강화제와 밀봉제로 도포된 아마포 직물로 덮여 있었다. 무게를 절약해야 하는 필요성 때문에 대부분의 항공기는 구조적으로 연약했으며, 특히 전투에 필요한 급강하와 같은 격렬한 기동을 수행할 때 비행 중 분해되는 경우가 드물지 않았다.
그럼에도 불구하고 이러한 진화하는 비행 기계는 단순한 장난감이 아니라 장차 무기가 될 것이라는 인식이 확산되었다. 1909년 이탈리아 참모 장교 줄리오 두헤는 다음과 같이 언급했다.
하늘은 육지와 해상의 전장 못지않게 또 다른 전장이 될 것이다…. 공중을 정복하기 위해서는 공중에서 적을 타격하거나 작전 기지 또는 생산 중심지를 공격하여 적의 모든 비행 수단을 박탈해야 한다. 우리는 이 생각에 익숙해지고 대비해야 한다. —  줄리오 두헤 (이탈리아 참모 장교), 1909
1911년, 영국 최초의 공군 장교이자 1910년 군사 훈련 중 고정익 항공기로 최초의 항공 정찰 임무를 수행한 버트럼 딕슨 대위는 영국 제국방위기술소위원회에 제출한 보고서에서 항공기의 군사적 사용과 뒤이은 공중전의 발전 및 확대를 예측했다.
미사일이 항공기에서 처음 투하된 것은 미국 육군 중위 폴 W. 벡이 로스앤젤레스 상공에서 모래자루를 폭탄으로 모의 투하했을 때였다.
항공기는 이탈리아-튀르크 전쟁 (1911-1912년) 중 처음으로 전쟁에 사용되었다. 최초의 작전 사용은 1911년 10월 23일에 카를로 피아차 대위가 벵가지 근처에서 블레리오 XI를 타고 비행했을 때 이루어졌다. 최초의 공중 폭격은 그 직후 11월 1일에 줄리오 가보티 소위가 터키군이 점령한 두 기지에 4발의 폭탄을 투하했을 때 이어졌다. 최초의 사진 정찰 비행은 1912년 3월에 역시 피아차 대위가 수행했다.
이 시기에 개발된 일부 기종들은 제1차 세계 대전까지, 심지어 전쟁 내내 군사적으로 사용되었다. 여기에는 1910년의 에트리히 타우베, 1911년의 포커 스핀, 왕립 항공기 공장 BE.2, 소프위드 타블로이드/슈나이더, 그리고 조종사 훈련에 사용될 다양한 구식 기종들이 포함된다. 시코르스키 일리야 무로메츠 (시코르스키 S-22라고도 알려짐)는 생산에 들어간 최초의 4엔진 항공기이자 당대 최대 규모였으며, 시제품은 전쟁 발발 직전인 1913년에 처음 비행했다. 이 기종은 폭격기 및 수송기 역할을 모두 수행하게 될 것이다.
동력 로터 양력에 대한 초기 연구는 고정익 항공기 개발과 독립적으로 후속 연구자들에 의해 이어졌다.
19세기 프랑스에서는 헬리콥터 디자인 협력을 위한 협회가 설립되었고, 많은 디자인들이 있었다. 1863년 구스타브 드 퐁통 다르메쿠르는 기존의 반회전 로터를 사용하여 모델을 제작했다. 처음에는 증기로 구동되었지만 실패했고, 태엽 버전은 비행했다. 다양한 형태의 다른 디자인으로는 포메스(Pomés)와 드 라 파우즈(De la Pauze) (1871), 페노, 아첸바흐(Achenbach) (1874), 디유아이드(Dieuaide) (1887), 멜리코프(Melikoff) (1877), 포를라니니(Forlanini) (1877), 카스텔(Castel) (1878), 그리고 단드리외(Dandrieux) (1878–79) 등이 있었다. 이 중 포를라니니의 증기 동력 반회전 모델은 20초 동안 비행하여 13 미터 (43 ft) 높이에 도달했으며, 단드리외의 고무 동력 모델도 비행했다.
하이럼 스티븐스 맥심의 아버지는 두 개의 반회전 로터로 구동되는 헬리콥터를 고안했지만 이를 제작할 만큼 강력한 엔진을 찾을 수 없었다. 하이럼 자신은 1872년에 헬리콥터 계획을 스케치한 후 고정익 비행으로 관심을 돌렸다.
1907년, 프랑스의 브레게-리셰 자이로플랜 1호가 "계류" 시험 비행에서 이륙하여 최초의 유인 헬리콥터로 지면에서 상승했다. 약 60 센티미터 (24 in) 상승하여 1분 동안 공중에 떠 있었지만 비행은 매우 불안정한 것으로 판명되었다.
두 달 후 프랑스 리제뇌에서 폴 코르뉘는 그의 코르뉘 헬리콥터로 유인 로터 날개 항공기에서 최초의 자유 비행을 했으며, 30 센티미터 (12 in)까지 상승하여 20초 동안 공중에 떠 있었다.