Днем основания предприятия считается 14 мая 1927 года, когда постановлением Совета труда и обороны СССР в Москве, в районе Фили, был образован Государственный авиационный завод №7, вскоре получивший новый инвентарный номер 22. На заводе в короткие сроки был налажен выпуск цельнометаллических самолетов-разведчиков АНТ-3.
В 1927-1931 годах на авиазаводе массово строились АНТ-3, истребители АНТ-4, дальние четырехмоторные бомбардировщики АНТ-6 и др. воздушные суда советской разработки.
5 сентября 1933 года близ Подольска Московской области в катастрофе самолета АНТ-7 погибли восемь человек, среди них был первый директор авиазавода №22 Сергей Горбунов. В том же году по просьбе коллектива заводу было присвоено имя Горбунова.
В 1932-1934 годах в Казани был построен новый промышленный комплекс по производству самолетов - авиационный завод №124 им. Серго Орджоникидзе. В 1935 году там был освоен выпуск спортивно-тренировочного самолета КАИ-1. В 1939 году на заводе был построен АНТ-20бис - аналог самолета "Максим Горький"; выпускались дальний бомбардировщик ДБ-2, тяжелый бомбардировщик Пе-8 и пассажирский самолет Ли-2.
После начала Великой Отечественной войны, в ноябре 1941 года, на территорию казанского предприятия был эвакуирован из столицы авиационный завод №22. 26 декабря того же года приказом Наркомата авиапрома СССР московский и казанский авиазаводы были объединены под названием Казанский авиационный завод №22 им. С. П. Горбунова. В годы войны объединенный предприятие выпустило более 10 тыс. пикирующих бомбардировщиков Пе-2, ставших основным бомбардировщиком советских Военно-воздушных сил.
После окончания войны завод за полтора года освоил выпуск дальнего тяжелого бомбардировщика Ту-4 (первый советский носитель ядерного оружия), всего в Казани было построено 655 машин этого типа. В дальнейшем авизавод производил дальний бомбардировщик-ракетоносец Ту-16 (799 машин), созданный на его базе пассажирский авиалайнер Ту-104Б (годы выпуска - 1958-1960, около 100 единиц), дальнемагистральные пассажирские лайнеры Ил-62 (в Казани в 1966-1994 годах построены 284 экземпляра).
В 1960-1965 годах на предприятии строились дозвуковые дальние бомбардировщики-ракетоносцы Ту-22 (всего было построено 311 единиц различных модификаций). С 1970 по 1990 год были освоены и серийно строились сверхзвуковые дальние бомбардировщики и ракетоносцы Ту-22М, Ту-22М2, Ту-22М3, сверхзвуковой стратегический бомбардировщик-ракетоносец Ту-160 (в 1980-1992 годах построены 27 единиц, в 2018 году в боевом составе ВКС России находятся 16 из них).
В 1978 году завод получил название Казанское авиационное производственное объединение (КАПО) им. С. П. Горбунова.
После распада СССР и почти полного прекращения оборонных заказов предприятие перешло на единичный выпуск самолетов в соответствии с требованиями заказчика, освоило ремонт выпущенных заводом самолетов. В середине 1990-х годов КАПО совместно с конструкторским бюро "Туполев" приступил к освоению производства среднемагистрального пассажирского самолета Ту-214. Первый полет серийной машины состоялся в 1996 году. По данным открытых источников, в 2001-2017 годах в Казани изготовлено около 30 Ту-214 разных модификаций, включая самолеты специального назначения.
В 2004 году предприятие было реорганизовано в федеральное государственное предприятие (ФГУП) "Казанское авиационное производственное объединение им. С. П. Горбунова". 8 апреля 2008 году ФГУП преобразовали в открытое акционерное общество (ОАО).
22 октября 2009 года ОАО "КАПО им. С. П. Горбунова" вошло в состав Объединенной авиастроительной корпорации, ОАК стала единственным акционером авиапредприятия.
В марте 2013 года совет директоров ОАК принял решение включить КАПО в состав компании "Туполев" (Москва). В июне 2014 года казанское предприятие влилось в состав московского авиастроительного концерна, получив нынешнее название: Казанский авиационный завод им. С. П. Горбунова - филиал ПАО "Туполев".
Последний годовой отчет предприятия был опубликован в 2013 году. Согласно документу, выручка завода за 2012 год составила 4 млрд 423 млн 288 тыс. руб., чистый убыток - 1 млрд 318 млн 640 тыс. руб. Штатная численность персонала завода на 31 декабря 2012 года составляла 4 тыс. 880 человек. Отдельной отчетности по филиалу ПАО "Туполев" не публикует.
Согласно годовому отчету ПАО "Туполев" за 2016 год, в указанном году средний уровень зарплаты в КАЗ составлял 37 тыс. 997 руб.