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在1990年代后期，随着民用飞机市场份额不断流失给其欧洲竞争对手空中客车公司。波音767在与空中客车A330的竞争中处于下风，波音公司决定研发其取代产品。向市场推出“音速巡航者”（SonicCruiser），强调在燃油消耗与波音767和A330相当的情况下，接近音速的飞行速度（约0.98马赫）。当时美国不少大规模的航空公司对“音速巡航者”的概念表示乐观。因把航程时间缩短可获乘客好评而大力支持研发该款客机。
9.11事件发生后，全球航空市场均受创，而美国的航空公司更是首当其冲，“音速巡航者”难以获得计划启动的足够订单。在油价上升的情况下，效益比速度更重要。波音公司最终决定放弃“音速巡航者”，提出新计划取代，称为“7E7”，当中的“E”可解释为效率（Efficiency）、经济性（Economics）、此外也可解释为环保（EnvironmentallyFriendly）、超凡的乘坐舒适性和便利性（Extraordinarycomfortandconvenience）、以及电子化系统（E-enabled）等。“7E7”又称为“梦幻飞机”（Dreamliner），波音公司认为，波音7E7将为航空公司降低运营成本，创造更多利润，同时为乘客提供更舒适的客舱环境，以及更多的不经停直飞航线。
2003年5月7日，波音公司发布了超效7E7飞机的最新设计方案。
2004年4月19日，波音7E7主要合作伙伴团队组建工作宣布完成，2004年4月，波音宣布7E7客机使用的发动机分别为通用电气的GEnx及劳斯莱斯的遄达Trent1000。不同厂商的787发动机均有着相同的标准接口，航空公司可把飞机的发动机互换，这在商用航空业界历史上实属首次。随着全日空确认50架飞机订单，该项目正式启动，全日空航空公司的订单是历史上对波音新型民用飞机最大的启动订单。2005年1月28日，波音公司为7E7梦幻飞机确定了正式的机型代号--787。
2005年4月26日，即研发计划推出的一年后，波音在787客机的外观设计作出改动，包括机鼻长度改短。
2006年6月30日，波音及其合作伙伴富士重工庆祝首架787梦想飞客机进入组装阶段。2007年5月下旬，首架787开始总装。同年7月8日，波音公司在西雅图波音总部举行787梦幻飞机下线仪式。有一种说法是，波音选在7月8日向外界展示787客机，是因为2007年7月8日的美式写法是“07/08/07”，刚好拼成“787”。可是，由于设计进展顺利，第一架波音787“梦幻客机”下线的时间不是在2007年7月8日。但这架下线的787“梦幻客机一号”还有几大部分的结构没有完工。波音也承认，第一架出厂的波音787因市场上缺乏碳纤维，所以只是用其他材料暂时遮盖。1968年波音第一架747下线时，也只是完工了78%的工作量，严格说来不是一架完整的飞机。波音787客机在埃弗雷特组装厂正式开始组装是在2008年3月，这时波音发现，从世界各地的合作伙伴那里汇集到组装厂的部件经常出现尺寸误差超标的问题，比如，各部分机体无法接合。
2011年9月26日零时20分，首架波音787“梦幻飞机”在美国西雅图埃弗雷特波音工厂交付全日空。2013年1月16日，由于连续出现安全故障，美国联邦航空局宣布暂时停飞所有波音787“梦幻客机”。
2013年6月，中国引进的首架波音787飞抵广州。
2013年11月24日，波音警告称部分747及787客机引擎存在结冰风险。
波音公司最初计划在2008年上半年交付给日本全日空航空公司第一架飞机，但由于某些零部件进度拖延及新产品陆续出现问题以及罢工事件使波音公司的工厂被迫停工的影响，波音公司已经先后五次推迟了787客机的首航计划。原定于2007年秋季开始试飞的787客机，延期到2007年11或12月中旬，导致了原定2008年5月要交给第一批客户全日空延后6个月，推迟到2008年12月才能营运。这样，全日空就错过了2008年北京奥运会的庞大运输量。在波音历来众多产品的首名买家中，以787的全日空所斥资金额为最大，总高达约60亿美元。全日空和澳大利亚航空一度考虑向波音索赔。当时间到了2009年，6月23日，因为飞机结构问题，波音第五次宣布推迟787“梦幻飞机”首飞的时间。
2009年12月15日，上午10时（北京时间16日凌晨2时）在华盛顿州埃佛瑞特潘恩机场，两名飞行员迈克尔·卡瑞克尔和兰多尔·内维勒驾驶的波音787飞机顺利升空，在飞行了大约四个多小时后返回地面，试飞成功，这标志着9个月的空中测试正式拉开序幕。
波音公司预计2010年第四季度交付第一架用于商业飞行的波音787客机。截至2009年12月15日试飞成功，波音787梦想飞机收到了来自世界六大洲的57家客户878架飞机的订单，合同储备订单总价值达到1400多亿美元。
2011年8月8日，波音公司参加第十届莫斯科航展，787客机与空客“巨无霸”同台竞技。
2011年9月26日，波音公司向全日空交付首架波音787客机。同年9月27日，在美国华盛顿州埃弗里特，第一架787“梦幻客机”准备首航。美国波音公司交付全日本航空公司的第一架787“梦幻客机”定于27日执行“处女航”，从华盛顿州埃弗里特飞往日本东京，全日空总裁兼首席执行官伊藤真一郎将搭乘这架客机，于28日抵达东京羽田机场。
2013年6月2日美国波音公司宣布，这家飞机制造商已开始建造“梦幻”客机的加长版787－9型。
波音在一份声明中说：“5月30日，这个787家族的最新成员开始在华盛顿州埃弗里特组装厂成型，波音按计划开始组装这一高效飞机的大部分。”
法新社报道，787－9型可搭载250名至290名乘客，比如今的787－8型多出40多人。同时，相比同尺寸飞机，这一加长款“梦幻”客机能节省20%燃料，多飞大约555公里。
787－9型预计几个月内首飞，首批交付将在2014年年初，买家是新西兰航空公司。波音说，全球20家用户订购355架787－9型，占全部787系列订单的大约40%。
通用电气与罗尔斯·罗伊斯公司联合为787提供了新一代发动机技术。波音的专有技术与计算机流体力学（CFD）优化了发动机与787机身的整合，将干扰阻力降至最小，让这些技术进步的效益达到最优化。787新型发动机建立在成功的通用电气GE90与罗尔斯·罗伊斯遄达（Trent）发动机产品家族的基础上。这两款发动机都将取得在“开箱”投入使用时进行双发延程飞行(ETOPS）认证。
机翼后掠角（25%弦长）30度。计算机根据飞行时所处的高度和速度，以及载荷情况，操纵飞机后缘襟翼来获得最佳翼型。这种自动变弯度翼型可提高飞机气动效率、减小阻力、还可以缓解机翼所承受载荷而减小机翼结构重量，翼尖加装翼梢小翼。升阻比比A300高40%。机身和尾翼采用了大量铝锂合金和复合材料，铝锂合金用于机身结构、桁条等部件。尾翼、各操纵面、整流蒙皮、客舱地板均由复合材料制造。主起落架为四轮小车式，前起落架为双轮式。动力装置所选用的发动机GEnX,采用了先进技术，压缩比更高，加大了进气道和进气量，提高了发动机推力，降低了燃油消耗。全部符合ETOPS180分钟标准。
波音公司在波音787上使用了“音速巡航者”所提出的技术以及机体设计，并决定在7E7的主体结构（包括机翼和机身）上大量采用先进的复合材料。波音787拥有多项技术创新，其中最引人注目的是波音787机体结构的一半左右都用更轻、更坚固的复合材料代替铝合金，是第一款以复合材料为主体材料的民用喷气式客机。一方面是因为金属能够隐藏损伤问题，这种损伤很难发现，直到碎裂时才会被发现，而合成材料就不存在这种问题；另一方面，用复合材料制造的机身比较轻，还能够埋入光纤管来监控飞机的状况，对于后期的维护成本跟安全上都能达到最新的飞机需求，这使得波音787更节省燃油，而且也可以节省在维护方面的花费。这种合成材料类似于一级方程式赛车中所使用的碳纤维合成材料。
1985年，空中客车公司率先将这种复合材料用于飞机制造，制造A310客机的尾翼，随后空中客车公司还将这种合成材料用于制造A350客机的机翼。波音787将这种技术全面运用到787飞机上，机身、机翼等主要的部件，都采用这一新技术，重量比例将超过50%，此前这个比例只有20%。复合材料也大量应用在发动机的叶片、发动机罩等部份。波音787也因这种新技术的广泛应用而被称作“梦想”飞机（使用物料（按重量）：61%复合物料（碳纤维），20%铝，11%钛，8%钢）。
生产线只要3天（以生产线达至全力全速而言计算）便可完成一架787的装配，而737则需要11天。
波音787机身截面形状采用双圆弧形，并采用平滑机翼、流线机头与鲨鱼鳍形翼端与尾翼的设计，顶部空间也进行了优化设计，可为乘客提供更宽敞的空间。波音787的机翼设计延续波音737NG（NextGeneration）/777的超临界机翼设计。超临界翼的好处在于在高次音速时可增加5%气动力效率，可以减少燃料的消耗并增加飞机的性能，如飞行距离等。787还装备了垂直阵风抑制系统，能感知湍流并指挥机翼操纵面应对湍流，从而大幅提高飞行的平稳性。
波音787是宽体客机，采用双通道，比其他民航客机拥有更大的窗户，窗的位置亦更高。乘客可以看见地平线。窗中以液晶体调校机舱的光暗，减少窗外射入的眩光及维持透明。
机舱内以发光二极管提供照明，取代萤光管，节省约一半电力消耗。机舱气压以电动的空气压缩机维持，不使用引擎压缩段带入的高压空气；加上机身物料的空气密封功能，比旧款民航机更能保持机舱湿度。
飞机内用以太网络提供驾驶室及各部分的资料通讯。无高压分气系统的涡轮扇引擎，减少各式高压热空气管道，以电力系统取代。
最早于2005年1月28日，787在拥有正式名称之前，被称为7E7。在2006年4月26日，即研发计划推出的一年后，波音在787客机的外观设计作出改动，包括机鼻长度被改短。
波音787于2009年12月15日进行首次测试飞行。2013年1月16日，由于连续出现安全故障，美国联邦航空局宣布暂时停飞所有波音787“梦幻”客机。
2005年1月28日，中国政府官员与波音公司签署了60架波音787飞机购买协议。
2013年6月2日，中国首架波音787“梦幻飞机”抵达广州白云机场，这一喷绘着“梦想之翼”涂装的787飞机从此将加入南航机队。南航成为中国首家、全球第9家接收787梦想飞机的航空公司。
2013年6月南方航空还将继续再接收一架，2013年内南航将接收8架，2014年接收2架。
南方航空于2005年12月订购了10架波音787，原计划2011年底交付，此前曾因零部件和试飞等原因多次推迟交付，2012年又因中国民航局适航证迟迟未下，以及2013年1月连续出现的电池故障等原因再度推迟。
由于2013年初日航等航企波音787的电池故障，致使该机几乎在全球范围内停飞。2013年4月，美国联邦航空局批准了波音787改进方案，现役波音787陆续恢复运营，新飞机的交付也逐步重启。
2013年5月23日，波音787终获中国民航局型号认可证，这标志着其具备了进入中国民航市场的资格。波音公司已为南航首架787飞机安装了改进后的电池，并通过了相应的测试。首架波音787飞机南航将投放在广州出发的国内航线，在国内运行一段时间后，再投入国际航线运营。
波音787中国内地的订单为41架，其中，国航订购了15架787-9、南航10架787-8、海航10架787-8，30架787-9、厦航6架787-8。
国航因2010年8月31日对订单进行更改，将公司于2005年批准引进的15架波音787-8置换为15架波音787-9，因此交付时间会再晚两年（相较座位数量偏少的787-8、787-9增加近40个座位，不仅可以给航空公司带来更高的单位效益，同时也可以给航空公司在设计航线和运力分配时提供更多的选择。），2016年5月20日，国航首架，也是中国首架波音787-9从美国飞抵北京。
厦航明后两年将引进6架波音787飞机，主要投放在福州和厦门市场，其首架787已于2014年7月交付。
海航已于6月底引进波音787客机，具体时间在等中国民航局的相关认证。海航前两架交付的波音787计划投入北京至海口、上海、成都3条国内航线，其中北京—上海航线每天由787执行两班，北京—海口、北京—成都航线每天各执行一班。后续海航787客机将计划投入执行北京—芝加哥、北京—西雅图、北京—多伦多等北美的国际航线等其他城市的国际航线。
截止2013年6月，波音已经向全球8家航空公司交付52架787飞机，还有超过800架787飞机有待交付全球58家客户。
2013年6月以来，已有全日空两班次，日本航空一班次，南航一班次，埃塞俄比亚不定期班次等五架787飞航北京。据悉，2013年6月底波音787梦幻客机也将落户海南航空股份有限公司北京分公司。
2013年，海南航空北京－海口、北京—上海、北京-海口、北京-杭州、北京-成都、北京-长沙、北京-昆明航线将由波音787梦幻客机执飞。
2013年8月，将由波兰航空使用波音787梦幻客机执飞北京－华沙航线。届时北京首都机场将是世界上起落不同航空公司波音787客机最多的机场（非班次最多）。
2013年11月17日，阿提哈德航空在迪拜航展中订购30架B787-10，标志着787订单总数超过1000架（1012架），成为航空史上最快达到这一销售里程碑的宽体机。阿提哈德共订购了71架波音787，是目前最大的梦幻飞机客户。
自从2004年787计划推出以来，波音提供了四种乘客变型；三个正在或将要建成。787-8是第一个生产的变种，其次是2014年的787-9，后来是787-10。一个短程模型，787-3，最初是出售，但发展取消。国际民用航空组织（民航组织）飞机型号指定系统分别按照代码“B788”和“B789”对787-8和787-9进行分类。
