Perusahaan ini memulai sejarahnya pada tahun 1963 saat Pertamina mendirikan divisi pelayanan transportasi udara yang diberi nama Pertamina Air Service untuk
mendukung mobilitas pegawai. Pada tanggal 24 Januari 1970, divisi tersebut resmi dipisah menjadi sebuah perusahaan tersendiri dengan nama "PT Pelita Air Service". Perusahaan ini pun menyediakan layanan transportasi udara untuk industri minyak dan gas di Indonesia dengan sistem sewa. Pada
tanggal 24 November 1987, perusahaan ini mendirikan PT Indopelita Aircraft Services (IAS) untuk menyediakan jasa pemeliharaan komponen berputar, seperti turbin, kompresor dan pompa, serta layanan umum dan mekanik lapangan. IAS juga menawarkan sistem kontrol digital untuk memantau kinerja peralatan. Pada tahun 2000, perusahaan ini sempat menyediakan layanan penerbangan berjadwal dengan nama "Pelita AirVenture", namun kemudian ditutup pada tahun 2005, karena beratnya kompetisi di sektor penerbangan berjadwal. Pada tahun 2016, perusahaan ini mulai menyediakan jasa pengangkutan bahan bakar minyak. Pada tahun yang sama, perusahaan ini membentuk Strategic Business Unit (SBU) Bandara yang bertugas mengelola bandara-bandara milik Pertamina. Pada tahun 2019, SBU Bandara mulai mengelola tiga bandara milik Pertamina, yakni Bandar Udara Pondok Cabe, Bandar Udara Pinang Kampai, dan Bandar Udara Warukin. Pada tahun 2020, perusahaan ini mulai menyediakan jasa pengangkutan kargo umum.[1][2] Pada tanggal 28 April 2022, perusahaan ini kembali menyediakan penerbangan berjadwal, yaitu Jakarta ke Denpasar dengan menggunakan Airbus A320-214.[3] 2 bulan setelahnya, Pelita Air kembali terbang dengan rute baru yaitu dari Jakarta ke Yogyakarta dengan menggunakan pesawat yang sama.[4]
Tidak seperti maskapai penerbangan lain yang mengandalkan pesawat Boeing/Airbus, Pelita Air menggunakan pesawat-pesawat Fokker dan BAe (British Aerospace). Maskapai ini memiliki beberapa pesawat Fokker 28, Fokker 100, RJ-85, dan beberapa helicopter jenis Bell-412,Bell-430,S-76, Super Puma,Puma dan BO-105 untuk layanan komuter. Hingga kini Pelita Air masih dicarter oleh Sekretariat Negara untuk mengurus aktivitas operasional pesawat kepresidenan RI, sebuah Avro RJ-85. 1 pesawat ATR 42-500 (PK-PAX) digunakan untuk keperluan penerbangan PT Badak LNG