自第一次世界大战以后，希思罗机场现在的所在地是一座空军基地。到了1930年代，这座机场名为“大西方机场”，由发来航空厂（Fairey Aviation Company）拥有，作为飞机零件组装和测试之用。而当时伦敦的对外民航机场则为克罗伊登机场。

1943年，希思罗机场移交英国空军部（Air Ministry）管理，变成了英国皇家空军的航空站。跑道的建设始于1944年，工程则委托乔治建设（George Wimpey）。然而皇家空军实际上未曾使用过这座机场，在第二次世界大战后于1946年1月1日转由英国民航局管理，而一架伦敦飞布宜诺斯艾利斯的客机成了第一班由希思罗机场发出的民航机。正式的开幕典礼在同年3月25日举行。4月16日，巴西的Panair do Brasil航空公司一班由里约热内卢圣杜蒙特机场的洛克希德星座型涡轮螺旋桨客机（Lockheed Constellation）成为第一架飞抵希思罗机场的外国航空公司班机。5月28日，第一架英国海外航空（BOAC）班机飞往澳洲，这条航线而后成了与澳洲航空的联合航线。

到了1946年5月31日，希思罗机场已经变成了全民用机场，次年已拥有三条跑道，同时更进行另外三条的建设工程。为了当时使用活塞引擎的飞机而建造的旧跑道也在此时各增加了一哩，并采用六角星形布局的跑道以应付各种不同的风向。而临时航站大厦及货运大厦皆位于机场的东北缘。

1953年，英国女王伊丽莎白二世为希思罗机场第一条现代化的跑道举行揭幕典礼，她也在1955年开启了希思罗机场的第一座正式航站大厦——木卫二航站楼（Europa Building；今第2航站楼），同年的4月1日，一座38.8米高的塔台也正式启用，取代了原先皇家空军的塔台。

Terminal；1968年更名第3航站楼）开幕，往返机场与伦敦市中心的直达直升机也在当时开始营运，并在木卫二航站楼的屋顶增设了瞭望台及花园。到了1968年第1航站楼投入营运时，串连各航站楼至机场中央的工程也宣告完毕，当年的希思罗机场约有每年1千4百万人次的吞吐量。由于当时普遍认为搭机旅行者多为有司机接送的富人，因此没有规划广阔的停车空间，而将旧航站楼设置于机场中央，这个规划后来成为了限制机场扩展的主因。

到了1960年代晚期，一座0.65平方公里大的货运大厦建于南侧跑道的南边，与1号航站楼、2号航站楼及3号航站楼透过隧道连接。

1970年，3号航站楼进行扩建，增加了入境建筑及其他设施，包括了英国境内第一座电动平面步道。希思罗机场的两条主要跑道——09L-27R 及09R-27L亦于当时延伸至目前的长度，以供如波音747之类的大型飞机起降。除了23跑道为了横风降落班机而予以保留外（已于2002年取消），其他跑道都为了客运大厦的扩建而遭到关闭。1977年，伦敦地铁皮卡迪利线延伸至希思罗机场，将往返机场与伦敦市区的时间缩短至1小时以内。1982年8月，M4高速公路机场支线启用，不仅提供了机场联外的高速公路，亦便于西英格兰及南威尔士等地的居民搭机，希思罗机场快线亦于1998年6月23日投入营运，联络了伦敦市区的帕丁顿车站。

随着1980年代的吞吐量到达每年3千万人次，对于新增航站楼的需求也日益紧迫，便于原有货运大厦的旁边建造了4号航站楼，于1986年4月由威尔士亲王查尔斯及戴安娜王妃揭幕，并成了英国航空的驻在航站楼，与其他三座航站楼间则由货运大厦原有的隧道联络。

1987年，英国政府将拥有希思罗机场的英国机场管理局私有化，英国机场管理局在这期间内增加了其他商业及零售业者持有航站楼空间的比例，并加入投资，使得航站楼内的商店及餐厅数量剧增，并将乘客动线导入商店区，提供旅客更多元的候机环境。