陸軍的運輸需求
1960年代美國空軍使用的C-133與C-124運輸機雖然還能夠滿足陸軍的需求,可是已經接近壽命週期的尾聲,服役中的C-141運輸機無法有效地勝任運輸的任務。由於機艙寬度與設計的因素,C-141無法攜帶7%空降師、22%步兵師或者是32%裝甲師的裝備,這種差距只會隨著陸軍採用更多重型裝備而加劇。預估到1980年代,超過1/3的輕步兵師、超過一半的機械化與裝甲師總重量的裝備的大小超過C-141機艙容許寬度。此外,自1960年代開始美國的戰略重心自純粹核子大戰轉移到包含有限度的傳統戰爭,也加大了對戰略運輸的需求。
1961年10月軍事空運勤務司令部(Military Air Transport Service, MATS)提出取代C-133運輸機的需求,由空軍規劃CX-4的設計案,但是隔年8月陸軍副參謀長對空軍參謀長表示這個設計方案並未與C-141的運輸能力有很大的差距,陸軍方面希望最大載重量為82.5噸,機艙寬度至少15英尺(4.5公尺),能夠執行空投任務和起降於較為簡單的機場。根據這項提案,空軍將起飛跑道長度要求放寬到8000英尺(2424公尺),但是降落縮短為4000英尺(1212公尺)。
1962年負責研發的空軍系統司令部(Air Force System Command,AFSC)根據他們的研究和預測推出CX-X計畫,這項計畫將會採用較多的新科技,但是服役時間將會延後,反而與陸軍的期望有所衝突。此時陸軍期望的設計包含載重57.5噸下有5000海浬(9000公里)的航程,最低巡航速度400節(720公里/時),17.5英尺(5.3公尺)寬的貨艙,能夠以並排的方式容納兩個運輸平台,並且可以從機身前後同時上下貨物。1964年這項計畫正式改名為C-5A。
1964年3月美國空軍正式發出的設計需求為:
使用4具推力4萬磅的渦輪扇發動機。
巡航速度不低於0.77馬赫。
貨艙寬度17.5英尺(5.3公尺),前後直通,並且能夠執行空投任務。
能夠攜帶50噸貨物飛行5500海浬(9900公里),或者是100噸2700海浬(4860公里)。
最大設計重量下的最長起飛距離為8000英尺(2424公尺),無貨物下為4000英尺(1212公尺)。
空軍預計1968年7月進行第一次飛行,1969年12月達到初始操作能力(Initial Operational Capability,IOC)。