Awalnya, museum ini berlokasi di kawasan Markas Komando Wilayah Udara V (Makowilu), Jalan Tanah Abang Bukit, Jakarta Pusat.
Di tempat lain, yaitu di Lembaga Pendidikan Akademi Angkatan Bersenjata Republik Indonesia (AKABRI) Bagian Udara Yogyakarta, sudah berdiri Museum Karbol.
Pemikiran mulai diarahkan untuk mengintegrasikan kedua museum tersebut.
Lokasi yang direncanakan adalah Yogyakarta.
Dasar pertimbangannya adalah bahwa pada tahun 1945-1949 Yogyakarta memegang peranan penting sebagai tempat lahir dan pusat perjuangan TNI Angkatan Udara.
Jogja juga menjadi tempat penggodokan para taruna TNI AU sebagai calon perwira serta adanya semangat maguwo yang perlu dilestarikan.
Kepala Staf TNI Angkatan Udara mengeluarkan keputusan No. Kep/11/IV/1978, tanggal 17 April 1978 menetapkan bahwa Museum Dirgantara pindah ke Jogja.
Ia diintegrasikan dengan Museum Karbol dengan memanfaatkan bekas gedung Link Trainer yang berada di kawasan kesatrian AKABRI Bagian Udara.
Pemindahan itu berdasarkan Keputusan Kasau Nomor: Skep/04/IV/1978 tanggal 17 April 1978.
Nama museum menjadi Museum Pusat TNI AU "Dirgantara Mandala".
Seiring dengan itu koleksi terus bertambah terutama pesawat terbang.
Sehingga gedung tersebut tidak dapat menampung serta lokasinya yang sukar dijangkau oleh pengunjung.