1958年，国泰接收原香港航空经营的多条航线，包括台北、东京及首尔、加拿大等。国泰于1980年代全速发展国际航线网络。

1980年代，香港政府制订一条航线由一家航空公司经营的航空政策，首先获得空运牌照局发牌的一家航空公司可获得该目的地的独家经营权，此政策令国泰航空受惠，并减低主要竞争对手港龙航空的威胁。

国泰更多次创下航空史上的创举。1980年7月17日，国泰开通香港至伦敦的航班，初时每周运作3班，中途停经巴林。伦敦航线于1981年增至每天1班，其后国泰于1983年7月2日全球首创不停站往返香港及伦敦的直航服务，写下航空历史新一页。在7年后的1990年6月，国泰加强伦敦航线的服务至每天2班，并于2003年8月进一步增至每天3班，至2005年12月1日起增至每天4班。

1998年7月6日清晨，正值赤鱲角的香港国际机场正式启用之际，首班抵达新香港国际机场的航班，便是由美国纽约肯尼迪国际机场起飞，不停站飞越北极上空直达香港的国泰航班CX889，该航班称为“极道一号PolarOne”，已成为其他所有航空公司，由北美经北极前往亚洲所依循的航道。2001年，国泰正式营运香港至纽约肯尼迪国际机场不停站直航航线，不过因纽约发生911恐怖袭击事件而停办，其后于2004年7月1日再次投入服务，编号CX830/831，采用首批购入的空中客车A340-600飞行，成为国泰目前最长不停站的直航航班，飞行时间约16小时。

2006年1月27日起，香港至南韩首尔的航班增加至每天5班，新航班于每日凌晨由香港起飞。另外，原本计划在2006年起重办香港至英国曼彻斯特的航班，中途会停靠俄罗斯莫斯科，但由于不获曼彻斯特当局批准，计划告吹。

全新购入的波音B777-300ER于2007年9月投入服务国泰航机在启德机场降落后，国泰将由2007年10月起，加强往来香港至北美的航线服务：

·第二班不停站往来香港至纽约航班将于2007年11月15日起投入服务，采用全新投入服务的B777-300ER客机飞行，令到纽约航线增至每天三班。

·由2007年10月18日起，新增第二班每天不停站往来香港至旧金山的不停站直航航班。

·原于2007年6月14日增加的每周三班往来温哥华的航班，由10月28日正式成为定期航班，航班于凌晨由香港起飞，是国泰首次营办凌晨起飞前往北美的航班。

另外由2007年10月1日起，加强以下澳大利亚航线服务：

往来阿德莱德的航线增至每天一班，回程途经墨尔本。

国泰航空是寰宇一家始创成员，与美国航空、英国航空、日本航空、马来西亚航空、西班牙国家航空、港龙航空、中国国际航空、俄罗斯航空在往来香港的航班上实施代码共享。

2008年1月1日起，多伦多航线从将会以空中客车A340-600营运不停站服务（无需停安克雷奇加油），航班编号更改为CX826/827，每日1班。1月3日起，多伦多航线由每日1班增至每周10班，新增航班编号为CX828/829，逢周一、四、六起飞，继续以空中客车A340-600作中途停站式营运。2月1日起，悉尼航线每周加开4班，令每星期运作前往悉尼增至25班机，往来香港及澳大利亚各大城市的航班数目亦会增至合共为每周58班。2月29日起每周分别加开三班来往孟买及德里航班，开启一连串加强印度航线的服务。3月29日起，多伦多航线CX826/827航班完全改用波音777-300ER飞行。3月30日起，恢复前往斯里兰卡首都科伦坡的客运航班，每天一班，以波音777-300客机运作，途经曼谷或新加坡。9月16日起，基于燃油价格上升和公司盈利警告，北美航班将作调整，来往温哥华的客运班次会由每周21班回复至冬季航班表的14班。而多伦多的客运班次则回复至每日一班直航服务，而CX828/829将会中止，亦代表客运航线不再停留阿拉斯加安克雷奇。10月2日起，加开每周4班香港-迪拜-巴林的航次其中4班续程曼谷。此外，国泰会增强前往沙特阿拉伯首都利雅得的服务，08年每周4班由巴林续程利雅得的航机，同时，CX888香港经温哥华飞纽约改为凌晨起飞，将完全使用全新的波音777-300ER。2009年3月28日起，“香港--曼谷--孟买--迪拜”每周4班航线停飞。新增“香港--曼谷--孟买”航线每周3班和“香港--孟买--迪拜”由每周3班增至每日1班。3月28日起，新德里航线的每日2班直飞改为其中1班停经曼谷。3月28日起，受夏季时间表影响，奥克兰航线由每周14班减至每周10班。3月30日起，多伦多航线CX826/827改为香港于0230起飞和多伦多于0935起飞。3月31日起，巴黎戴高乐机场航线由每周10班增至每周14班。3月31日起，雅加达航线由每周14班增至每周17班。3月31日起，新增2条上海浦东航线，编号为CX360/369和CX364/365，以代替原有港龙航线KA800/801和KA830/895。4月15日，日本放宽羽田航线限制，容许每日两班香港来往羽田机场航班，国泰航空及大中华集团旗下的香港快运都打算申请羽田航线。4月17日宣布于5月与港龙航空同时重新调整运力，客运以竞争最激烈的伦敦航班减班最多，5月会暂停17班，欧亚货运亦大幅减班，3月才宣布增加至每天2班来回巴黎戴高乐机场，亦会5月份削减7班，另于6月至8月期间减至每周10班，由9月份起减至每天1班，视乎需求而定。详情请阅航线消息。10月26日起，新增往返香港及吉达航线，每周四班，中途停经迪拜。2010年3月28日起，开办米兰航线，是为国泰第二个意大利航点。3月28日起，多伦多航线增至每星期10班编号为CX820/CX829。7月13日起，开办莫斯科多莫杰多沃国际机场航线，每周3班，编号CX207/206。9月30日起，巴黎航线为每周10班，其后恢复至每天一班；由11月27日至12月10日每周运作9班，12月11日起每周运作11班编号为CX278/CX279。10月31日起，开办日本羽田机场航线，每天两班，编号CX548/CX542。10月31日起，大阪航线每天加开1班至每天运作共4班航班。11月15日至2011年3月26日期间，悉尼航线由每周24班增至每天4班。11月16日至2011年3月26日期间，珀斯航线每周加开3班至每周运作10班编号为CX136/CX137。11月21日至2011年3月6日期间，前往开恩兹航班每周加开1班至每天运作1班，另前往布里斯本航班增至每周共运作11班。2011年6月2日起，开办阿布扎比航线，是为国泰第二个阿拉伯联合酋长国航点，每周四班，编号CX683/682。9月1日起，开办芝加哥航线，是为国泰第六个北美洲航点，每天一班，编号CX806/807。3月27日至5月1日期间，纽约航线每周加开三班，5月2日起每天运作四班。5月1日起，多伦多航线每周加开两班至每天两班。国泰航空除与其子公司港龙航空实施代码共享外，亦与寰宇一家成员中的美国航空、英国航空、日本航空、西班牙国家航空、智利国家航空、墨西哥航空及芬兰航空实施代码共享。同时，国泰航空也与中国国际航空、马来西亚航空、越南航空往来香港的航班上实施代码共享，并与法国TGV火车合作，让国泰的乘客能转乘火车前往法国各地。

自2010年起国泰航空开通香港往来日本东京羽田机场的航线，而东京成田国际机场的航班服务则仍会继续。

自2011年起国泰航空开通班加罗尔货运航点。，开通每周两班由钦奈前往法兰克福的直航货运航班，航班续程往来曼彻斯特或布鲁塞尔，接连南印度及三个欧洲航点。国泰航空一直以港为家，致力发展香港成为国际主要航空货运枢纽。除拓展货运航线网络及机队外，国泰航空亦斥资55亿港元于香港国际机场兴建货运站，预计于2013年初落成。