Az Albert Plesman által alapított társaság első kereskedelmi repülése 1920. május 20-án volt London-Croydon repülőtere és Amsterdam között egy bérelt De Haviland DH16-ossal, amellyel újságokat és két brit újságírót szállítottak. Abban az évben a KLM 220 utast szállított.

Az első interkontinentális járatukat 1924. október elsején teljesítették Amszterdam és a holland gyarmat Batavia (mai nevén Jakarta) között egy Fokker F-VIII-assal, de menetrend szerinti járatként csak 1929-ben kezdték üzemeltetni. A távot 12 nap alatt tette meg a Fokker 18 repülőtér, köztük Budapest érintésével, a második világháborúig ez volt a világ leghosszabb repülőútvonala. Az első transzatlanti járatot 1934-ben indították a karib-tengeri Curacaóba.

A második világháborúban elfoglalták Hollandiát, a KLM ekkor nem repült, a világháború befejeztével pedig azonnal hozzáláttak a járathálózat újbóli felépítéséhez: 1946-ban első európai légitársaságként indítottak járatot New Yorkba.

1950-re a KLM utasainak száma meghaladta a 350 ezret, de a jetkorszak beköszöntével a légi cég veszteségessé vált, ezért át kellett szervezni a társaságot, 1966-ra pedig az akkori többségi tulajdonos kormány kisebbségi tulajdonos lett. A 70-es évek elején egy Boeing 747-200-as forgalomba állításával indult meg a széles törzsű gépek elterjedése a flottában.

A KLM 1980-ban már közel 10 millió utast szállított, az európai légi piac liberalizációja és a további terjeszkedés hatására ez a szám 1990-re 16 millióra nőtt. A 90-es években a KLM több légitársaságban is részesedést szerzett és 1998-ra minden részvényét megszerzett a kormánytól.

Költségcsökkentési okokból 2003 szeptemberében bejelentették, hogy egyesülnek a francia Air France-szal, de mindkét légitársaság megtartotta saját arculatát és nevét. A lépést az unió és az USA illetékes minisztériumai 2004-ben engedélyezték.

A holland légitársaság ma mintegy 120 gépes flottával 136 célállomásra repül, a 2013-as évet 349 millió eurós mínusszal zártak 25,5 milliárd eurós árbevétel mellett.