かつてのターミナルは現在地より陸地側、今のB滑走路の南端付近にあり、3本の滑走路もそれを囲むように北側に04/22が東側に15R/33Lと15L/33Rのクロースパラレルが配置されていたが、1964年の海外旅行自由化以降は航空機の利用客が急増し、便数も増加できない上に国際線・国内線が同居する状態では発着する飛行機の数を捌き切れなくなり、空域では航空機同士が急接近する事が常にあった。このため、1970年代にはターミナル寄りの旧A滑走路 (15R / 33L) を事実上閉鎖して駐機場を拡張した。

新設された新東京国際空港に国際線が移転した後も、国内線の需要の急激な増加が続いたため、手狭なターミナルと2本の滑走路では、首都空港としてのキャパシティは既に限界を超えていた。滑走路は現在よりも市街地に近かったため、騒音に対する苦情も絶えなかった。これら空港機能の改善及び騒音対策を目的として1984年1月から東方の海面を埋め立てて空港施設を移設・拡張するという沖合展開事業（通称: 沖展）が行われた。

沖展に不可欠な埋め立て工事は、脆弱な海底地盤により難航した。沖展用地は東京港の浚渫土や首都圏の建設残土を処分する残土処理場であり、長年のヘドロが堆積した「底なし沼状態」であったことから、重機はおろか人間も立ち入れない場所が多かった。チューブの集合体の板を地中深く差し込むことで水を抜くペーパードレーン工法や、沈下する地盤をジャッキの油圧で持ち上げ空洞を特殊なコンクリートで固める工法などを駆使し、計画から完成まで約20年の歳月を経て完成した<ref>このエピソードについてはNHKで1993年に放送されたドキュメンタリー番組『テクノパワー』第3回及び2004年放送の『プロジェクトX〜挑戦者たち〜』でも取り上げられた。</ref>。この埋め立てによって新たに生まれた土地は広大なもので、これがすべて大田区に組み込まれたことから、世田谷区は長年保っていた「東京23区で面積最大」という地位を大田区に譲ることになった。

1993年9月には新国内線ターミナルビル（第1ターミナルビル）が完成した。同ターミナルを運営する日本空港ビルデングはこれにビッグバード (Big Bird) という愛称をつけたが、今日ではこれが羽田空港旅客ターミナルの総称としても用いられている。2004年12月1日に第2旅客ターミナルビルが供用を開始した。全日本空輸 (ANA) グループおよびANAグループと業務提携している北海道国際航空 (ADO) の国内線業務が同ターミナルに移転した。12月21日には第1旅客ターミナルビルに残っていた日本航空 (JAL) グループが、従来使用していた同ターミナル南ウイングに加え、ANAグループなどが使用していた北ウイングの使用を開始。その後2006年4月1日よりスカイネットアジア航空 (SNA) も第2旅客ターミナルに移転し、現在は

• 第1旅客ターミナルはJALグループ、およびスカイマーク (SKY)・スターフライヤー (SFJ)
• 第2旅客ターミナルはANAグループ、およびADO・SNA・SFJ

のそれぞれ専用ターミナルとなっている。ただしANA便名でもSFJ運航のコードシェア便である北九州線は第1旅客ターミナルから出発・到着する。

各ターミナルのシンボルカラーも、第1ターミナルはJALグループのコーポレートカラーである赤色、第2ターミナルはANAグループのコーポレートカラーである青色となっている。JALグループでは広い第1ターミナルを活かし、国内線方面別チェックインを行っている。ターミナル・路線を参照されたい。

第2旅客ターミナルビル供用に関連して、2005年4月1日より東京国際空港を発着する便の航空券に旅客施設使用料として100円が上乗せされている。使用料の導入に関しては、国内線ハブとしての優越的地位の利用との非難も相次いだ。国内線を対象とした旅客施設使用料の徴収は日本で初めてであった<ref>中部国際空港も同日より開始</ref>。

なおこの事業は3期に分かれ、第2旅客ターミナルビル南ウィング（仮称）が完成した時点で終了する予定である。

• 第1期（1984年1月 - 1988年3月）
  • A滑走路移転・拡張（1988年7月供用開始）
• 第2期（1987年9月 - 1993年8月）
  • 西側地区旅客（→第1旅客）・貨物ターミナル・新整備場移転・新設（1993年9月供用開始）
  • 管制塔・運輸省（国土交通省）航空局棟移転（同上）
  • 構内道路新設
  • 首都高速湾岸線延伸（1993年9月開通）
  • 東京モノレール羽田線 西旅客ターミナルビル「新」羽田空港駅（羽田空港第1ビル駅）まで延伸（同上）
• 第3期（1990年5月 - ）
  • C滑走路移転・拡張

    1996年空の日には空港イベントの一環として供用前のC滑走路が一般公開された。

    1997年3月供用開始。これ以降、2本の平行滑走路による同時離着陸が可能になった（それまでの平行滑走路でも同時に離陸と着陸を行うことは可能であった）。

  • 国際線旅客ターミナル移転（1998年3月20日供用開始）
  • 京急空港線羽田空港駅まで延伸（1998年11月開通）
  • B滑走路移転・拡張（2000年3月供用開始）
  • 第2旅客ターミナルビル（2004年12月1日供用開始）
  • 東京モノレール、羽田空港第2ビル駅まで延伸（2004年12月1日開業）
  • 空港連絡道路（2004年12月1日午前4時供用開始）
  • 第1旅客ターミナルビル北ウイングJALグループ利用拡張（2004年12月21日開始）
  • 第2旅客ターミナルビル南ピア（2007年2月15日供用開始。66 - 70番スポット）
  • 第2旅客ターミナルビル南ピア71 - 73番スポット（再拡張事業完了後に整備予定）
  • 第2旅客ターミナルビル南ウィング（仮称）（再拡張事業完了後に整備予定）
  • 第2旅客ターミナルビル第4駐車場 (P4) 立体化（再拡張事業完了後に整備予定）