2006年10月，中国国防科工委和财政部联合立项研制长征五号运载火箭，经国务院批准，由国防科工局、国家航天局牵头组织实施，由中国航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院抓总研制 。
2009年，YF-77火箭发动机转入试样研制。
2009～2010年，原计划作为长征五号系列中衍生型号的小型、中型火箭分别独立形成“长征六号”与“长征七号”，长征五号系列中仅剩下5米芯级直径的大型火箭 。同时，为避免火箭系列间运载能力交叉重叠，长征五号系列的优先发展型号由2006年时的基本型构型D转变为近地轨道、地球同步转移轨道运力*强的两种型号：构型B和构型E。2011年左右，二者分别被命名为“长征五号乙”和“长征五号”，再加上配套的远征二号上面级，便形成了长征五号系列。
长征五号初样研制阶段，期间完成以5.2米直径整流罩和5米直径火箭舱段为代表的大部分箭体结构的制造、生产、试验等技术，并在中国实现了火箭全型号数字工程化应用 。
2011年，长征五号乙立项进入工程研制。
2012年，长征五号研制用于火箭、航天器生产、总装、测试的中国新一代运载火箭天津产业化基地一期建成投入使用，用于箭体运输的远望21号船于同年下水。
2012年8月，YF-100发动机500秒长程热试车成功，确定了长征五号首飞发动技术状态。
2013年，长征五号的研制同时带动一些列配套设置的建造。为了火箭测试中国研制完成了70吨级的世界*大推力的振动台。
2016年，长征五号完成发射场合练，验证了火箭、发射场、地面发射支持系统的接口协调以及吊装起竖、测试、转运等流程，*终确定长征五号火箭整体技术状态 。
2016年11月3日20点43分，长征五号运载火箭在文昌航天发射场成功发射升空。随后，长征五号运载火箭与其托举的远征二号上面级成功分离，上面级继续将实践十七号卫星送往预定轨道。由中国航天科技集团公司抓总研制的长征五号运载火箭首次飞行任务取得成功。
