军方最大的三个情报系统都各自操控航空器进行信号情报搜集工作。空军第25联队的第55军情大队的总部位于内布拉斯加州奥福特空军基地，负责操控RC-135侦察机群，多达20架飞机，其中有17架RC-135V/W“联合铆钉”飞机。这些型号的飞机总长度为135英尺，翼展达131英尺，整体高度为42英尺，工作高度为34990英尺。它们能飞行500英里每小时以上，不加油航程为3900英里。但是，它们在10小时之后必须进行空中加油。它们可在空中停留30小时，飞行的最高限度为5万英尺。飞机上可乘坐超过30个人，包括机舱成员、电子战官员、情报操作员和飞行中维修技术人员。
联合铆钉飞机的飞行任务被称为“燃烧的风”（BURNING WIND）和“模糊的风”（MISTY WIND），负责拦截通信和电子信号。该飞机携带电子发射器自动定位系统，扫描飞机两边，在数秒内能够识别雷达，但其精准度还不足以识别出智能武器。数据可以通过安全的语音线路（战术信息广播业务或战术数字信息线路）进行传输。飞机初期携带的多种通迅发射器定位系统，已经被平面刃型天线所取代。联合铆钉侦察机的起飞基地有：希腊克里特岛索达湾的奥福特空军基地；日本冲绳的嘉手纳空军基地；沙特阿拉伯阿尔卡吉的苏尔坦王子空军基地（第763远征侦察中队ERS）；卡塔尔多哈以西的阿尔乌代德空军基地。
随着冷战的结束，联合铆钉机群的目标有了显著的变化。1995年和1996年期间，79%的飞行任务为了支持联合特遣部队在中东（伊拉克）和波斯尼亚的行动。1995年2月22日，一架联合铆钉飞机执行了该项目的第1000次飞行任务，支持“南方守望”行动（Operation SOUTHERN WATCH），实施联合国对伊拉克的制裁。1996年10月，一架来自米尔登霍尔皇家空军基地的联合铆钉飞机执行了第1000次亚德里亚海飞行任务，该任务开始于4年前，是为了支持“提供希望”行动（Operation PROVIDE PROMISE）。另有19%的飞行任务目标是古巴、地中海地区（尤其是利比亚）、太平洋地区（包括朝鲜、中国和越南）。剩余的2%飞行任务是培训和演习。RC-135侦察机已经“成为攻击敌方电子防空系统的关键工具，该系统依赖于对来袭敌机具体位置的数据迅速交换”。自2000年以来，联合铆钉飞机多次执行支持“伊拉克自由”行动和阿富汗“坚持自由”行动的飞行任务。根据空军2009年一份情况说明所述，“自20世纪90年代初开始，RC-135侦察机一直保持着在西南亚的持续存在”。2008年，第763远征侦察中队在执行阿富汗某项目过程，完成了50000飞行小时的记录。近期的飞行任务包括利比亚和乌克兰。2010年，多架联合铆钉飞越菲律宾，拦截阿布沙耶夫恐怖组织的通信。2011年，来自索达湾的多架联合铆钉监控了利比亚的空军和防空通信。那一年，它们出动了83架次，支持“奥德赛黎明”行动和“联合保护者”行动（Operation UNIFIED PROTECTOR），这些行动寻求在利比亚实现建立禁飞区和武器禁运。2014年12月，俄罗斯空军总司令抱怨，RC-135“几乎每天”都会数次出现在俄罗斯沿海的波罗的海地区，还声称2014年RC-135出现了140次，对比之下2013年只有22次。
其中某些次数应该归于两架RC-135U，它们被称为作战派送（Combat Sent）；它们与联合铆钉的速度和工作高度一致，但航程可达4000海里，最高飞行高度可在35000英尺以上。该机组包括两名飞行员，一名导航员，两名机载系统工程师，至少10名电子战官员和6名或更多任务区域专家。与联合铆钉飞机一样，作战派送携带发射器自动定位系统。作战派送飞机上携带的主要传感器是精密功率测量系统（Precision Power Measurement System），该系统判断选定目标的绝对功率、功率方向图和选定目标发射器的偏振。另外，在高分辨率相机与多个电视和雷达传感器上都配备了“指南针时代”（COMPASS ERA）系统，该系统包括红外热成像，一个干涉光谱仪和多个光谱辐射仪传感器。作战派送飞行任务的目标是对外国军事用地、雷达信号、海军雷达信号和机载雷达信号进行定位和识别。具体而言，这些飞行任务旨在提供“信号参数，用于开发雷达预警接收器、电子战（EW）系统、威胁系统模拟器和任务策划”。信号参数包括功率、脉冲和极化数据。2014年10月，据称一架RC-135U上的任务标记显示它曾被用于监控乌克兰危机的发展情况。
RC-135系列的最后一个成员是RC-135S型号，它被称为“眼镜蛇球”（Cobra Ball），行动代号被称为“燃料恒星”（BURNING STAR）。这类飞机有三架。“眼镜蛇球”飞机驻扎在阿拉斯加州艾尔森空军基地，经常从谢米亚空军基地起飞执行任务，直到1991年末，“眼镜蛇球”的相关任务被转到了奥福特空军基地。
20世纪90年代中期，“眼镜蛇球”每年约执行100次任务，目标是获取俄罗斯、中国、印度和以色列的导弹试验情报。因此，1994年1月，迪戈加西亚基地的一架“眼镜蛇球”被部署在孟加拉湾，监控印度即将举行的导弹试验。1996年，“眼镜蛇球”飞机监控中国在台湾附近进行的数次导弹试验、印度的几次导弹试验和俄罗斯的数次导弹试验。1997年5月，一架“眼镜蛇球”监控了朝鲜的一次反舰导弹试验。2003年3月初，朝鲜几架战斗机在朝鲜海岸线外约150英里处拦截了一架“眼镜蛇球”并命令其降落在朝鲜，美国飞行员对这些指令置若惘闻。
RC-135S飞机携带的系统中，配有高级遥测系统（Advanced Telemetry System, ATS），是自动搜索频带的一部分，为出现的所有信号制作一份数字记录。高级遥测系统的操作人员为重新进入链接分配搜集资源，并记录所有探测到的遥测信号。
海军的同类信号情报机群由EP-3E空中侦察综合电子系统（Airborne Reconnaissance Integrated Electronic System, ARIESⅡ）飞机组成。1999年，12架飞机组成的机群被平均分配给了位于华盛顿州惠德比岛海军航空站的第1舰队空中侦察中队（Fleet Air Reconnaissance Squadron One, VQ-1），即“世界观察者”，和位于西班牙罗塔的第2舰队空中侦察中队（Fleet Air Reconnaissance Squadron Two, VQ-2）。VQ-1的职责区域从美国的西海岸延伸至非洲的东海岸和阿拉伯湾。其他分遣队位于：阿联酋巴林岛；日本三泽；日本嘉手纳；韩国乌山。
2005年9月，第2舰队空中侦察中队，包括所有飞机和450名人员从西班牙的罗塔迁至惠德比岛海军航空站，这样两支中队都将总部设在了这里。海军称，这次变动是“与海军正在进行的驻欧军力改革相符的”，并将使侦察中队具备“冲击全球”的能力。然后，2012年5月，海军取消了第2舰队空中侦察中队，其所属人员被转至第1舰队空中侦察中队。到2012年为止，第1舰队空中侦察中队的机群共有16架飞机，但是有计划要将该数字降至12架。
EP-3E是长度116英尺的四引擎涡轮螺旋桨飞机，飞行高度略高于2.8万英尺，飞行速度为446英里每小时，航程为2738英里。该机与PC-3C的区别在于其机身下有1个扁平的圆形雷达天线罩，而且它的尾部没有长而薄的电磁异常探测器（Magnetic Anomaly Detector）尾桁。飞机由五人飞行机组驾驶，另有18个人负责不同的系统操作。该飞机的“故事书”（Story Book）系统具有通信情报信号获取、数据处理和数据整合的综合性能力，据称能够提供战术评估和实时传输。6名操作人员负责操控“经典故事”（Story Classic）系统，其提供升级的搜索和获取低波段信号能力。指挥员、通信专家和战术评估专家能够在他们各自的工作站直接获得由EP-3E搜集的数据，以及来自其他美国情报力量的数据（通过战术相关应用系统，战术数字信号交流系统，战术通迅广播系统及其他线路），因此他们能综合飞机搜集的数据和其他数据，提供一份全面的目标活动评估并将结论分送出去。
“世界观察者”行动包括外国水面和潜艇行动，以及陆基雷达和超高频/甚高频通信。1996年，第1舰队空中侦察中队出动了1319架次，“不但承担国家和舰队指派的敏感侦察行动（Sensitive Reconnaissance Operations），也负责迹象和预警（Indications and Warning, I&W）任务，支持了‘沙漠打击’、‘南方守望’、‘警惕战士’和‘警惕哨兵’等行动”。其行动区域包括“北阿拉伯海，阿曼湾，阿拉伯湾，沙特阿拉伯，日本海，鄂霍次克海，印度洋，南中国海，中国东海，吕宋海峡，泰国湾，朝鲜内陆，西太平洋”。在这些区域实施行动之后，第1舰队空中侦察中队“拦截和处理了2911个来自目标国家的海军发射器、空中发射器和陆基发射器的具有战术重要性的信号”，并定位了72艘非友善的潜艇。1997年，第2舰队空中侦察中队所属多架EP-3E飞机从基地出发，监控阿尔巴尼亚危机。当时的任务还有监听北非（主要是阿尔及利亚和利比亚）军队、政府和警察的通信。
2001年，第1舰队空中侦察中队派出了5架EP-3E（和3架P-3），行动区域包括波斯湾、南美洲、印度洋、韩国、泰国、阿富汗、巴基斯坦、中国东海、泰国湾、沙特阿拉伯，南中国海和西太平洋。2001年4月1日，1架EP-3E在海南岛沿海执行任务时，与尾随的一架中国F-8拦截机发生半空碰撞而失去动力，迫降于海南岛。
“9·11恐怖袭击”后不久，第1舰队空中侦察中队开始在西南亚执行任务，支持“坚持自由”行动。该中队也从事通信拦截行动，以支持“南方守望”行动和“哥伦比亚计划”。据其每年历史记录，第1舰队空中侦察中队2001年搜集了6113个具有战术重要性的信号情报。2005年，第1舰队空中侦察中队的分遣队，将位于巴林麦纳麦和日本嘉手纳空军基地的行动包括在内。后来，巴林的分遣队迁到了卡塔尔。2008年，第1舰队空中侦察中队的EP-3飞机参加了“伊拉克自由”行动、“游牧阴影”（NOMAD SHADOW）行动（欧洲司令部实施的涉及土耳其和伊拉克的反恐行动）、“意愿精神”（WILLING SPIRIT）行动（解救被哥伦比亚革命武装力量扣为人质的3个美国人的行动）和“印加黄金”（INCA GOLD）行动（南方司令部的1个禁毒行动）。
2001年到2005年之间，第2舰队空中侦察中队的飞行任务支持了坚持自由行动、联合锻造（JOINT FORGE）行动（南斯拉夫）、印加黄金行动、联合守护（JOINT GUARDIAN）行动（亚得里亚海）、北方守望行动（伊拉克）、南方守望行动（伊拉克）、伊拉克自由行动、美洲狮（MOUNTAIN LION）行动（阿富汗）、大山扫荡（MOUNTAIN SWEEP）行动（阿富汗）、海豚鹰（DOLPHIN EAGLE）行动（拉丁美洲）、加勒比盾牌（CARIBBEAN SHIELD）行动、阿特拉斯盾牌（ATLAS SHIELD）行动（南方司令部）、安全明天（SECURE TOMORROW）行动（欧洲司令部），以及海上拦截行动和参谋长联席会议敏感侦察行动。另外，第2舰队空中侦察中队在2000年支持南方司令部的行动中，帮助捕获了54.1公吨的可卡因和大麻。
研制EP-3E继承者的计划EP-X被取消了。到2015年底，海军转而计划升级EP-3E以接受“螺旋3”，这是一个信号情报一揽子项目，具备中断敌方通信网络的能力。
除了具备成像能力外，U-2飞机还能配备信号情报传感器，据某位U-2专家称，“如今，几乎每架执行任务的U-2都携带了信号情报系统，以及成像系统”。过去，U-2的信号情报系统包括高级红宝石（Senior Ruby）系统，这是一个几乎实时的电子情报搜集、处理和上报系统，能提供U-2视线内雷达发射器的信息（包括类型和位置）；包括高级矛（Senior Spear）——也是几乎实时的通信情报搜集、处理和上报系统，能提供视线300海里以外的信号搜集。当前的系统则包括了远程航空电子系统（Remote Avionics System, RAS）-1R和高级信号情报有效载荷（Advanced Signals Intelligence Payload, ASIP）。
远程航空电子系统有两个附属系统，一个用于通信情报，另一个用于电子情报（其处理脉冲、持续波和特殊信号）。每个附属系统都能提供地理位置数据。自2008年开始，高级信号情报有效载荷就开始为U-2的行动提供服务。它的关键性特征包括“现代信号检测的高级演算法、高密度接入；大瞬时带宽和信号的同时性；车载信号处理，以便更有效地利用数据链”。2010年，U-2中队用高级信号情报有效载荷系统取代了远程航空电子系统。
U-2一直都是从多个基地起飞执行信号情报任务，针对的目标各种各样。从佛罗里达州帕特里克空军基地起飞的U-2，执行针对古巴的搜集任务。主要目标是古巴的陆军、空军和海军通信，所截获的情报被传输至佛罗里达州基韦斯特海军航空站。从皇家空军阿克罗蒂里基地起飞的U-2，负责拦截来自叙利亚、埃及和以色列的信号，然后将数据上传至空中远程操作设施。从韩国乌山空军基地起飞的高级矛U-2，执行奥运会任务，拦截中国的通信和朝鲜的通迅，然后将截获的通迅下传至乌山的空军情报单位。
陆军操控两个更为先进的空中信号情报系统：RC-12护栏和EO-5C（以前的RC-7B）/空中侦察低级多功能（Airborne Reconnaissance Low-Mutlifunction, ARL-M）。RC-12是双引擎涡轮螺旋桨飞机，最低飞行可达2万英尺，最高可达3.2万英尺，时速为130海里，最长可工作5小时。该飞机有许多型号，包括RC-12H、RC-12K、RC-12N、RC-12P、RC-12Q，携带遥控的地基拦截和测向系统，可以检测高频、甚高频和超高频的音频通迅。它们还携带GPS接收器，允许60英尺内的数据定位。RC-12的辅助系统是远程中继系统（Remote Relay System, RRS）。被截获的信号情报数据被下传到RRS，然后自动地被卫星中继传至任何位置，只要这些地方安置了适当的接收天线。RC-12系列部署在位于韩国、德国和北卡罗来纳州布拉格堡的军事情报大队。
2011年，RC-12的升级版本RC-12X开始实际部署，可能包括高级信号情报有效载荷。另外，飞机能够针对某个目标进行地理定位，减少了侦测到目标和攻击之间的时间。按诺斯洛普·格鲁曼公司所描述，RC-12X将能够“比当前部署的任何系统侦测到更多的现代不同信号，并找出更多高价值目标（HVTs）”。最早的两架RC-12X被部署在中东，而另外有10至12架（整个机群27架）在2011年至2012年期间得到升级。预期该飞机机型将一直服役到2025年。
EO-5C/ARL-M是四引擎涡轮螺旋桨飞机，飞行高度在0.6万-2万英尺，时速为220海里，具备10小时持续飞行能力。ARL-M是空中侦察低级飞机的修正版，原来的飞机只能专用于成像或者专用于信号情报任务。它携带了高频、甚高频和超高频接收器，能够“拦截和定位无线电频率通信”。其最初被设计是为了满足南方司令部的情报需求，而且它的任务是“为禁毒工作提供低轮廓信号情报和成像搜集支持”。陆军的9架改进型ARL-M中，有三架（或者更多）被派到韩国。除了信号情报设备，它们还携带了大量的成像传感器（合成孔径雷达、移动目标指示器、红外、电光）。飞机的任务包括监视朝鲜半岛上非军事区附近军队和平民的动向。2014年底，一架EO-5C被发现出现在利比亚上空，显然是在监控ISIS营地的情况。
除国家安全局和军方密码部门执行空中信号情报飞行使命以外，20多年来，陆军的任务支持机构（Mission Support Activity，最初是情报支持机构）也一直在执行飞行任务。20世纪80年代，情报支持机构采购了比奇飞机和空中国王飞机，并配备了大量通信拦截设备，用于拦截尼加拉瓜桑地诺支持者的通信，以及萨尔瓦多左翼分子通信和洪都拉斯反叛分子通信。20世纪90年代初，情报支持机构的空中信号情报帮助追踪到哥伦比亚毒枭巴勃罗·埃斯科巴，2001年底还截获了逃走的塔利班头目通迅和基地组织头目通迅。
无人驾驶的空中飞行器（UAVs）除了用于成像、测量与信号特征情报，也被用于信号情报。全球鹰飞行器除了携带成像传感器，还携带了高级信号情报有效载荷，能够搜集通信和电子信号，以及“特殊信号”，并可被用于测向和地理定位。该载荷的升级版本的缩小版被开发出来用于MQ-1B捕食者和MQ-9收割者。
在MQ-4C/海神投入使用时，预期它将具备信号情报能力。这个无人驾驶的空中飞行器的电子支持测量（Electronic Support Measures）系统预计能探测、识别和地理定位雷达信号。据称海神可能已经作为EP-3E的继承者，成为海军的首要空中信号搜集飞行器。