在阿诺德工程发展中心测试的C-17风洞模型
制造组装
1985年2月麦道开始制造C-17原型机，当时东西方仍处于冷战时期，国防经费宽裕，美国空军提出的需求是210架，其中48架拨给空警队和空军后备队。麦道从20世纪50年代的C-133之后就没有生产过军用运输机，相比之下，洛克希德公司就拥有丰富的经验，虽然麦道在设计工程上是航空工业中的翘楚，但负责制造C-17的加州长堤（Long Beach）工厂原本主要制造民航机，极端欠缺制造军机时整合各分系统承包商的管理经验。
在20世纪50年代时，美国的航空工业是全世界最具生产力的，不论是制造C-124、C-133或是其它飞机，全部的制造过程几乎都在同一个工厂内完成。而在制造C-17时，为了要对众多的国会议员示好，基本工作项目需要尽量分包到每个州，再也没有任何一家飞机制造商能自己独立制造整架飞机了。
在NASA风洞中测试的C-17模型
1986年国会对运输机的需求评估有了结论：美军必需有每天运送3560万吨/公里的能力。而全美包括军事空运司令部（Military Airlift Command）的战略运输机、后续增购的C-5B和KC-10A、国家空中防卫队（Air National Guard）、空军后备部队（Air Force Reserve）、民用后备空运部队（Civil Reserve Air Fleet），只能运送2480万吨/公里，不足约30%的部分未来要靠C-17来补足。
虽然新型运输机的需求已有了定论，但国会的政治干扰仍然阴魂不散，由于当时航空公司营运欠佳，国会议员得协助他们处理老旧波音747，军队就成为最佳的资源回收中心。在里根主政的1981到1987年间，就打算让第105军用运输机联队（Military Airlift Wing）和纽约国家空警队使用二手747（军方编号C-19），但747既无法在战地降落，也无法运送大型货物，引起美国空军的反弹，最后第105联队接收了C-5A，而C-17的设计工作则继续缓慢持续中。
1987年9月20日C-17正式开工，1988年10月24日在一项典礼中，两节全长20.7米的组装定位轨道组合在一起，开始了C-17首次真正组装作业。
C-17的制造分包给23个主要承包商，包括：诺格（Northrop Grumman）、联合信号（Allied Signal）、马可尼（Marconi）、霍尼韦尔（Honeywell）、LTV航空工业公司...等。诺格公司负责制造C-17的发动机罩（nacelle）、副翼、垂尾、平尾、方向舵、升降舵、空中加油插座滑道（aerial-refueling receptacle slipway）。而LTV公司的塞拉分部（Sierra Division）则获得总金额1890万美元的合同，发展定位系统（station-keeping system），提供飞行员导航及方位的信息，让C-17能在任何能见度下进行18架飞机的编队飞行。
C-17的电传飞控系统由霍尼韦尔公司负责发展，但在发展的初期就因为延误，制造合同因此转给通用电气公司。不久之后，美国政府总审计局（General Accounting Office）在1989年8月的报告里指出：C-17若再因计划管理不良导致延误的话，对进度、造价都会有巨大影响。当时C-17计划已经花了375亿美元，是国防部最花钱的项目之一，当时的分析家说：每架C-17得花纳税人32600万美元，大约等于16架AV-8B“鹞”式（Harrier），或6架EA-6B“徘徊者”（Prowler）的价格。进入实际生产后，每架C-17的平均造价接近2亿美元，虽然没预期的那么贵，但却是一般大型军用运输机的3倍价格了。
C-17的造价昂贵，部分原因是五角大厦坚持C-17需要具备在战地附近未铺柏油跑道上起降的能力，若能去掉这一项，就可以省下不少的发展经费和时间。只要曾在战场上冒着敌方激烈炮火驾驶运输机起降的飞行员，都能明白这种飞行的危险性，而现在的武器射程远、弹着准，在战地附近起降的危险性高，没有人相信有谁会把一架这么贵的飞机部署在敌方炮火或飞弹的射程内，但这项需求却一直没有改变。
正在安装主起落架整流罩的C-17
20世纪80年代中期，美国经济景气，国防部舍得花钱，就算借钱也要做出新飞机，即使美国政府未来负债因而雪上加霜也在所不惜。单单在1986年，麦道因为C-17就增加了4000名员工。
根据20世纪80年代中期所定的进度，C-17应该在1989年完成首次飞行，后来拖延到1990年8月，再延后到12月，最后则是1991年6月，国会对C-17庞大的发展经费和制造进度的一再拖延也颇有怨言。当时将制造工作转移给别的厂商相当容易，但C-17的价格和进度延误却没有引起太大的注意，相比之下，麦道在1991年初为美国海军所发展的A-12攻击机就没有这么幸运了，A-12的发展过程也和C-17一样又贵又久，最后落到被国防部取消的下场。
1988年4月，C-17的估计重量比设计目标重量增加了8.2%，因此无法满足合同中的一项性能需求：由于重量增加，C-17的航程由合同中规定的9100公里降低到小于8700公里。不过仍然满足合同中载运76吨的情况下，以830公里的巡航速度，不需空中加油直飞4400公里航程的规定。
1989年9月，麦道宣布将于年底前完成C-17机翼、前机身、中机身、后机身的组合，并于1990年2月进行首次的飞行，不过这张远期支票却跳票了。一直到1990年12月21日，才完成第一架原型机的组装，1991年9月15日，经过至少四次的延误后，第一架原型机进行了首次飞行，由长堤机场直飞爱德华兹空军基地。
1991年1月2日，第一架C-17 87-0025 T-1在麦道长滩工厂下线
1991年9月15日，T-1从长堤起飞开始了耗时2小时的首飞
地面测试
第一架C-17（未装发动机）的原型机T1在加州长堤出厂，做为验证机身刚性的增压测试机体。第二架（T2）和第三架（T3）原型机则作为验证结构强度的静力试验（static test）机体，和室外执行2倍服役寿命、60000飞行小时的耐久性试验（durability test）机体。静力试验的目的在测试极限负载（ultimate load）下，也就是150%的设计限制负载（design limit load）时，机体是否具有足够的强度，另外飞行试验也必需在静力试验完成后才能开放飞到100%的负载。耐久性试验的目的在验证机体的经济寿命（economic life）是否大于服役寿命，并以试验结果来核对弥补分析的数据。