В 1944 году, когда уже было понятно, что победа не за горами, от правительства СССР поступил указ «Срочно снять веселый, радостный фильм о наших доблестных воинах». За создание такого фильма взялся режиссер Семен Тимошенко, в то время уже хорошо известный по картинам «Три товарища» и «Вратарь», он же и написал к нему сценарий. Правда, когда фильм был снят, его раскритиковали, а сам Сталин назвал фильм «безыдейным и пустым». Но, несмотря на это, «Небесный тихоход» все же появился на экранах страны, моментально завоевав любовь миллионов зрителей. Премьера картины «Небесный тихоход» состоялась в преддверии первой годовщины Великой Победы — 1 апреля 1946 года. На роли Булочкина и Тучи без проб были утверждены два поистине выдающихся актера - Николай Афанасьевич Крючков, на тот момент уже Заслуженный артист и лауреат Сталинской премии, и Василий Васильевич Меркурьев. Василий Дмитриевич Нещипленко, сыгравший роль капитана Кайсарова, профессиональным актером не был, он преподавал биомеханику в театральном училище имени Мейерхольда, где его и нашел Семен Тимошенко
На главную женскую роль журналистки Вали Петровой пробовалось огромное количество самых разных актрис, среди которых была Алла Петровна Парфаньяк. На тот момент она еще была студенткой Театрального училища имени Щукина, но утвердили именно ее.
На роль Катерины Кутузовой взяли Людмилу Сергеевну Глазову, у которой за плечами уже имелся довольно приличный опыт работы в кино - она начала сниматься в 1929 году.
На роль Маши Светловой, супруги Кайсарова, взяли Тамару Ивановну Алешину, которая, хоть и снялась после «Небесного тихохода» еще в нескольких фильмах, запомнилась зрителям именно как Светлова.
Небольшую роль в фильме исполнила выдающаяся актриса Фаина Раневская. Правда, по воспоминаниям современников, ни сценарий, ни режиссер, ни военная тематика фильма актрисе не нравились, и по слухам, сниматься в этом фильме ее заставили указом сверху. Но, возможно, благодаря ей фильм и дошел до зрителей - после того, как картину раскритиковали, Раневская выступила в ее защиту.
Снимали фильм под Ленинградом, на аэродроме Левашово, а в качестве консультантов выступали летчики, только что вернувшиеся с фронта, они же были «дублерами» - заменяли в кадре артистов, когда нужно было поднимать самолеты в воздух. Однажды чуть не случилась трагедия: Алла Парфаньяк уговорила одного летчика покатать ее на самолете, да не пристегнулась, и когда летчик пошел на «мертвую петлю», чуть не выпала из кабины. Кроме настоящих самолетов и настоящих летчиков, в фильме использовали и настоящую военную форму - ее не шили специально, а брали на военном складе, и пусть она была не совсем новая, но и не так чтобы заношенная
Критики встретили фильм неодобрительно, посчитав его легкомысленным, а зрители, наоборот, восторженно приняли комедию с участием любимых артистов и с новыми веселыми и запоминающимися песнями. «Небесный тихоход» стал одним из лидеров проката 1946 года, собрав у экранов более 21 миллиона зрителей.
В 1970 году на «Ленфильме» картина была восстановлена: отреставрировано изображение и переозвучены большинство эпизодов. При этом были удалены или сокращены некоторые сцены, из-за чего фильм стал на 10 минут короче. Кроме того, героиня неподражаемой Фаины Раневской — профессор медицины, выписывавшая из госпиталя Булочкина, была озвучена другой актрисой 
В 2011 году на DVD и Blu-ray Disc была выпущена оригинальная версия ленты, прошедшая полную цифровую реставрацию, а 6 мая 2012 года на Первом канале была представлена колоризированная версия картины, в которую были вновь включены удаленные фрагменты с оригинальными голосами всех актеров.
