1903年12月，固定机翼飞机飞行成功，人们的注意力就越来越转向更有前途且更为复杂的旋翼飞行。幻想家们早就预言了这类飞机的可能性，即它在转为向前飞行前首先垂直地升入空中。这种预言的前景激励了雷奥那多·达·文西的创造力，他于1490年设计了一种用木质和上桨亚麻布制成的飞机，以弹簧机构作其动力，他称之为螺旋桨翼。大多数早期设计师的共同设想是这种飞机将直接旋转其本身而垂直地升入空中，但怎样返回地面却不清楚。
显然，雷奥那多即使没有看到也会听到那些能实现垂直飞翔的巧妙玩具，但他却不可能知道，417年之后，一架由飞行员驾驶的飞机垂直地升离了地面。在这几百年中，尽管不乏各种独出心裁的构思，但缺少能产生足够功率重量比的重量很轻的发动机成了主要障碍。飞机设计师多年的期望终于在1876年由奥托发明的四冲程内燃机上得到了较大的突破。依靠一台应用奥托循环原理的45马力安托万内特发动机，勃兰葛特－理查特自转旋翼机1号于1907年9月实现了首次成功的垂直飞行。
科尔尼在1906年利用1个功率不超过1.47千瓦的老式比歇发动机制造了1架直升机工作样机。科尔尼于1907年8月制成了全尺寸直升机，同年11月13日完成了历史上首次升空0.3米的记录。
科尔尼在该机试验中遇到了很多困难，其中包括皮带传动系统连续发生故障，发动机工作不可靠等。在他对这架直升机的研究所花费的代价还不是太大的时候，他已经开始制造另一种设计方案的直升机了。他的新方案与他的同胞路易·布雷盖和里歇教授合作试验的直升机有些相似。布雷盖和里歇合作制造的直升机实际上早在1907年9月29日就载人飞离地面。但是，这次飞行没有被普遍承认是首次直升机载人飞行，因为这架直升机是靠人工来稳定的，更明确一点说，就是有4个人分别站在它的4副巨大的旋翼的下方，各有1根长竿支撑，以防止直升机倾覆。这4个人虽然没有帮助直升机升离地面，但对它在空中停留确实起了保证作用。
布雷盖继续进行了垂直升降实验，并于1935年制造出了布雷盖－多朗“实验室旋翼机”，采用的是对转共轴式旋翼。
首次真正的垂直自由飞行于1907年11月在科克威廉斯举行。保罗·柯尔涅驾驶他的“飞行自行车”在0.3米高度飞行了20秒。
1874年德国的阿钦伯奇制造了一种新型号的飞机，它包括一个用于反转矩控制的尾部回旋翼，这就是现代已被推荐采用的常用方法的首次使用。
1912年，最卓越的早期设计师之一，丹麦的爱尔哈姆制造了一架复合式直升机，该直升机具有很大的趣味性和新的性能。
这架飞机于1916年坠毁，而爱尔哈姆直到1930年才停止他的直升机试验。20世纪20年代初期出现了几种重要的设计方案，其中最有前途的是帕斯卡拉的3号飞机。这种式样笨重的飞机在直升机技术上体现了向前迈进的重要一步。这架飞机创造了飞行736米距离的世界纪录，而且它与同期十分复杂的飞机相比是一架设计得比较简单的飞机。
据说，现代直升机的非凡方案是基于斯泼奈尔特于1919年提出的基本原理。危险的事故威胁着斯泼奈尔特和他兄弟的早期飞行生涯，事故主要是由失速引起的，因此他对这个问题作了重大研究。他论证了旋转机翼产生的升力很大程度上相同于在空气中向前运动的固定机翼，因此，这就有可能以一种机翼代替另一种。他的设计方案与以前流行的一切方案的最大差别是他的风车或回旋翼是自由地旋转的，而不是由发动机驱动。发动机的动力用来驱动一个常规螺旋桨以产生向前的推力，同时转动旋叶达到一定的速度，使其能产生足够的升力而起飞。此后，由飞机前飞速度所造成的气流，就能使回旋翼自由地旋转，这就无需由发动机提供动力而产生升力。斯泼奈尔特称他的新发明为自转旋翼飞机。
几年时间花在修改和改进其设计之后，西瓦解决了另外一系列问题。1928年西瓦驾驶着他的飞机横渡英吉利海峡。这是第一次旋翼飞机完成此举。