Первый полёт: 15 мая 2002 года на трёх Boeing 737-700/-800, взятых в лизинг у ILFC.
В конце 2003-го и начале 2004 годов прибыли три Boeing 757-200 в лизинг у Pegasus Leasing Corp., в середине 2004 года флот пополнился пятью Fokker 50 от Aircraft Finance Trading BV (AFT).
Закончив 2002 год с убытками, начиная с 2003-го предприятие неизменно прибыльно (за исключением 2016 года).
В феврале 2004 года после банкротства Air Kazakhstan (9Y) авиакомпания стала флагманским перевозчиком страны, выйдя на международные маршруты в Дубай (DXB), Москву (SVO), Пекин (PEK) и Стамбул (IST), а затем в Лондон (LHR) и Франкфурт (FRA).
Проблемы роста и разногласия по поводу формирования флота и стратегии хаба привели к напряжённости между акционерами и смене руководства. Осенью 2005 года первый генеральный директор компании Ллойд Пакстон (Lloyd Paxton), бывший до основания Air Astana топ-менеджером British Airways (BA), покинул пост.
1 октября 2005 года компанию возглавил Питер Фостер, бывший генеральный директор Cathay Pacific Airways (CX), глава кризисной менеджерской группы в Philippine Airlines (PR) в 1999 году и впоследствии генеральный директор Royal Brunei Airlines (BI).
До 8 декабря 2016 года была единственной авиакомпанией страны, допущенной в воздушное пространство Евросоюза; с этой даты общий запрет был снят.
В конце ноября 2018 года были обнародованы планы по созданию дочернего низкобюджетного перевозчика. 1 мая 2019 года авиакомпания FlyArystan (KC; без собственного сертификата эксплуатанта) начала полёты на двух Airbus A320ceo по трём направлениям — в Нур-Султан (TSE), Уральск (URA) и Тараз (DMB).
