Für den teils immer noch unerforschten Infrarot-Bereich haben Wissenschaftler der USA und aus Deutschland den Bedarf für die Entwicklung eines neuen fliegenden Infrarotastronomie-Observatoriums als modernen Nachfolger des 1995 außer Dienst gestellten "Kuiper Airborne Observatory" (KAO) aufgezeigt: Mit höherer Winkelauflösung, gesteigerter Empfindlichkeit und höherer spektraler Auflösung wird dieses neue flugzeuggetragene Observatorium fundamentale Fragen der galaktischen und extragalaktischen Astronomie und des Ursprungs und der Entwicklung des Sonnensystems beantworten.
Ende 1996 haben sich die amerikanische NASA und das DLR darauf verständigt, gemeinsam dieses neue Observatorium mit der Bezeichnung SOFIA (Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie) zu entwickeln und zu betreiben. Nach Integration des Teleskops und Abschluss der strukturellen Modifikationen des Flugzeugs begannen im April 2007 die Flugtests des Observatoriums. Seit Anfang 2008 befindet sich SOFIA an seinem endgültigen Standort in einem Hangar des NASA Armstrong Flight Research Center in Palmdale, Kalifornien.
Nach weiteren Umbauten am Flugzeug wurde das Observatorium mit einem umfangreichen Flugtestprogramm ab Dezember 2009 auf den Betrieb vorbereitet. Im Mai 2010 wurde eine erste astronomische Testmessung, der sogenannte "First Light"-Flug durchgeführt. Mit dem ersten Beobachtungsflug (US-Instrument FORCAST) in der Nacht zum 1. Dezember 2010 hat die wissenschaftliche Nutzung des Observatoriums begonnen. Bis September 2011 sind mit FORCAST und dem deutschen Instrument GREAT weitere 20 Messflüge erfolgt. In 2012 wurde das Cockpit der Boeing 747SP modernisiert und Mitte April 2013 hat mit dem einhundersten Flug von SOFIA der erste offizielle Beobachtungszyklus begonnen.
Von deutscher Seite wurden für SOFIA zwei Instrumente entwickelt, die ab Anfang 2011 beziehungsweise 2014 zum Einsatz kommen:
Die Finanzierung beider Instrumente erfolgte durch die beteiligten Max-Planck- und Universitäts-Institute, letztere mit Fördermitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).
Die Plattform für das 2,7 Meter-Infrarot-Teleskop von SOFIA ist ein gebrauchtes Boeing 747SP-Verkehrsflugzeug, das in Flughöhen über zwölf Kilometern operieren wird. Unterhalb dieses Bereichs behindert der absorbierende Wasserdampf in der Troposphäre Beobachtungen im Infrarotbereich, was dazu führt, dass Bodenteleskope Infrarotstrahlung von Himmelsobjekten nur in engen Wellenlängenfenstern empfangen können. SOFIA wird eine zehnmal höhere Empfindlichkeit und eine dreifach bessere Winkelauflösung haben als das KAO. SOFIA wird für geplante 20 Jahre in Betrieb sein und dabei pro Jahr etwa 160 astronomische Messflüge durchführen. Jeder Flug dauert jeweils etwa sechs bis acht Stunden. SOFIA wird von etwa 50 Wissenschaftlergruppen genutzt, die durch ein jährliches wissenschaftliches Gutachtergremium (Peer Review) ausgewählt werden.
Die häufigen Fluggelegenheiten mit Instrumenten jeweils neuester Technologie ermöglichen eine vielfältige Nutzung durch die Wissenschaftler. Durch den direkten Zugang zum Instrument während des Fluges haben junge Wissenschaftler die Chance, ihre Messungen hautnah mitzuerleben und rasch in wissenschaftliche Veröffentlichungen umzusetzen. Die Flexibilität von SOFIA ermöglicht weltweiten Zugang zu kurzfristig auftauchenden Beobachtungsobjekten (so genannten "Targets of Opportunity"). Dank der vergleichsweise kurzen Zyklen der Instrumenten-Entwicklung bietet SOFIA darüber hinaus eine ausgezeichnete Testplattform für spätere satellitengetragene Instrumente.
Die Kooperation zwischen der NASA und dem DLR ist in einem beiderseitigen Abkommen, dem "Memorandum of Understanding", vereinbart. Dieses Abkommen legt die Verteilung der Arbeitspakete während der Entwicklungs- und der Betriebsphase fest. Deutschland liefert das Teleskop und wird sich mit 20 Prozent am Betrieb beteiligen und dafür pro Jahr etwa 30 Wissenschaftsflüge zugeteilt bekommen. Die NASA hat die gebrauchte Boeing 747 gekauft und für den Einbau des Teleskops entsprechend umgebaut. NASA führt zudem den Betrieb des Observatoriums von einer Heimatbasis in den Vereinigten Staaten von Amerika durch.
NASA und DLR haben Industrieverträge für die Erfüllung ihrer Aufgaben vergeben. Das SOFIA-Teleskop wurde im Auftrag des DLR von den Firmen MT-Mechatronics (früher: MAN) und Kayser-Threde (jetzt OHB System GmbH) entwickelt, gebaut und mit einem Airbus-Großraumflugzeug Beluga an den Integrationsort Waco in Texas geliefert. Dutzende von weiteren Firmen aus Europa haben im Unterauftrag von MT-Mechatronics und Kayser-Threde an der Entwicklung des Teleskops mitgearbeitet.
Für die Durchführung des deutschen Betriebsbeitrages in den USA hat das DLR im November 2004 einen Vertrag mit der Universität Stuttgart geschlossen, der mittlerweile bis 2020 verlängert wurde. Die Arbeiten werden von dem an der Universität Stuttgart eingerichteten "Deutschen SOFIA-Institut" (DSI) übernommen. Neben dem deutschen Beitrag zum SOFIA-Betrieb in den USA (Entsendung von etwa 15 Mitarbeitern, Kauf von Flugzeug-Ersatztriebwerken, Teleskop-Ersatzteilen, Treibstoffkosten für das deutsche Flugkontingent) führt das DSI die Koordinierung der wissenschaftlichen Aspekte und die Öffentlichkeits- und Bildungsarbeit in Deutschland durch. Dazu leistet auch das Land Baden-Württemberg einen finanziellen Beitrag.