在吸取前人经验教训的基础上，莱特兄弟开始了飞行器的研制。在无法得到别人资助的情况下，他们用自行车生意赚来的钱进行飞机的研制。兄弟俩的配合是完美无缺的。哥哥威尔伯勤勤恳恳，扎扎实实，拥有工程师的细致和谨慎；弟弟奥维尔则富有艺术家的想象力，敢于不断创新。
两颗智慧的大脑密切配合，相得益彰，正如威尔伯所说：“奥维尔和我一起生活，共同工作，而且简直是共同思维，就和一个人一样。”两兄弟认为飞机能不能顺利飞行，关键就在于如何设计和控制它在飞行过程中各种受力间的平衡。维尔伯·莱特用一张水平放置的纸演示了这个问题：如果让它自由落下，在理想的平静空气当中，我们可以想象它一定是平稳落下，但理想条件是很罕见的，任何一点气流都会使得纸张翻转和飘荡。对于飞机来说，完全理想的空气条件下，要实现上天并不难，但是天空中总是存在风，这就使得实现飞机飞行的关键，在于如何调节飞机前后左右各个方向的受力平衡，特别是飞机的重心和升力受力点之间的关系。早期由于担心机翼过大，会使得飞机难于操纵，因此一般机翼面积都不是太大。例如李廉萨尔的机翼面积为151平方英尺，皮歇尔的为165平方英尺，查卢特的为143平方英尺，这就使得飞机所能够获得的升力并不充裕。相比之下，驾驶员的重量就占了升力的很大部分，那么在这种受力情况下，驾驶员自身的位置变化将严重地影响飞机的重心，而当时一般的设计思路就是顺势利用这点，由驾驶员改变身体位置来控制飞机的飞行姿态。然而正是这样一种思路严重制约了飞机操纵性能的提升，因此莱特兄弟决定改变这个技术思路。他们首先仔细研究了前人的试验数据，再通过大量风筝、滑翔机以及风洞试验做验证，设计出了最佳的机翼剖面形状和角度，以便获得最大的升力；然后决定把一般大小的机翼增大一倍，达到308平方英尺。最重要的是，他们设计了通过直接控制机翼来操纵飞机飞行姿态的机构，同时，在飞机整体的升力增加后，飞机对于驾驶员自身位置的变化也不那么敏感了，这就使得飞机尽管机翼面积大大增加，但可操纵性能并没有比小机翼飞机降低！兄弟俩认为要建造一架飞行机器，有三个主要的障碍：（1）如何制造升力；（2）如何获得驱动飞机飞行的动力；（3）在飞机升空之后，如何平衡以及操纵飞机。前两个问题在某种程度上已经获得解决。最初兄弟俩努力制造全尺寸的滑翔机，接连四个夏天，他们前往北卡罗来纳州旅行，目的地是个与世隔离的岬角。气象部门向他们建议，岬角风力大，是有利的练习场。之后不久，他们制作了第一架无人驾驶双翼滑翔机，把它象风筝一样放上了天。他们又在飞机的前面安装了升降舵，也就是一种摆动舵，可以用来操纵横轴。莱特兄弟在公众面前的形象始终是一体的，他们共享发明成果和荣誉。细心的传记作者JamesTobin发现威尔伯1899－1900年写的“我的”机器和“我的”计划之后全部由第一人称单数改成了复数的“我们”和“我们的”，他说“很难想象奥维尔这么聪明出众的人是以何种力量成功的，从俄亥俄州一个小店到和资本家、总统们商议，奥维尔做到了，他从始至终都是位领导者。”1900年10月的一个傍晚，威尔伯·莱特趴在易碎的滑翔机骨架上，迎着海风飘了起来，他成功了。虽然这只是几秒钟的飞行，只有1米多高，但莱特兄弟的成就超过了试图靠移动身体重量操纵飞行的李林达尔。第二年，兄弟俩在上次制作的基础上，经过多次改进，又制成了一架滑翔机。这年秋天，他们又来到基蒂霍克海边，一试验，飞行高度一下子达到180米之高。1900—1903年，他们制造了3架滑翔机并进行了1000多次滑翔飞行，还自制了200多个不同的机翼进行了上千次风洞实验，修正了李林达尔的一些错误的飞行数据，设计出了较大升力的机翼截面形状。在此期间，他们的滑翔机多次滑翔距离超过1000米。在当时看来，这可是不小的成就。经过不断钻研，不断改进，莱特兄弟不仅迅速掌握了当时的飞行器制造技术，而且在许多方面取得了重大突破。从1903年夏季开始，莱特兄弟着手制造这架著名的“飞行者一号”双翼机。动力飞行首先需要一台发动机，但当时市面上根本没有飞机的发动机出售，也没有一家公司愿意冒险制造航空发动机。但是兄弟俩并没有气馁，他们请了机械师查尔斯泰勒（Charles Taylor）来帮他们制造了一台大约12马力、重77.2千克的活塞式发动机。有了发动机，威尔伯和奥利弗只盼着多风的秋季能早日到来。10月中旬，“飞行者一号”组装完毕，奥维尔对新飞行器非常满意，“这是我们迄今为止造得最好的一架飞机。‘她’非常听话。” 奥维尔的感情不难理解，“飞行者一号”的每一根“肋条”都是他们亲手制作而成。奇迹发生在1903年12月17日。这天清晨，美国北卡罗莱纳州的基蒂霍克还在沉睡，天气寒冷，刮着大风，空旷的沙滩上静静地停放着一个带着巨大双翼的怪家伙，这就是人类历史上第一架飞机——“飞行者一号”。空旷的场地上冷冷清清，到现场观看的只有5个人。10时35分，一切准备就绪。为了能够率先登机试飞，兄弟俩决定以掷硬币的方式确定谁先登机，结果弟弟奥维尔赢了。奥维尔爬上“飞行者一号”的下机翼，俯卧于操纵杆后面的位置上，手中紧紧握着木制操纵杆，威尔伯则开动发动机并推动它滑行。飞机在发动机的作用下先是剧烈震动，几秒钟后便在自身动力的推动下从“斩魔丘”上缓缓滑下，在飞机达到一定速度后，威尔伯松开手，飞机象小鸟一样离地飞上了天空。虽然“飞行者一号”飞得很不平稳，甚至有点跌跌撞撞，但是它毕竟在空中飞行了12秒共36.5米，才落在沙滩上。接着，他们又轮换着进行了3次飞行。在当天的最后一次飞行中，威尔伯在30千米的风速下，用59秒飞了260米。人们梦寐以求的载人空中持续动力飞行终于成功了！不幸的是，几分钟后，一阵突然刮来的狂风把“飞行者”1号掀翻了，飞机严重损坏，但它已经完成了历史使命。人类动力航空史就此拉开了帷幕。然而，令人遗憾的是莱特兄弟的成功并没有立即得到美国政府和公众的重视与承认，人们甚至怀疑这一消息的真实性，大多数报纸都拒绝报道。
