En 1993 l'Armée de l'Air américaine, qui est un des principaux utilisateurs des lanceurs américains avec la NASA, définit le cahier des charges d'une nouvelle fusée, l'Evolved Expendable Launch Vehicle (EELV), qui se veut modulaire et qui doit permettre d'abaisser les coûts de lancement. L'objectif est de revenir sur un marché commercial monopolisé à l'époque par le lanceur Ariane. En réponse à ce cahier des charges Lockheed Martin propose une nouvelle version de son lanceur Atlas : l'Atlas V. La technologie du réservoir-ballon utilisée sur la génération précédente qui limitait l'accroissement de la charge utile est abandonnée pour le premier étage : le diamètre de celui-ci peut ainsi être porté à 3,8 mètres et des propulseurs d'appoint peuvent lui être ajoutés. Ce premier étage baptisé Common Core Booster (CCB) pèse désormais 305 tonnes soit 50% de plus que celui du lanceur Atlas III.
L'Atlas V est conçue pour pouvoir lancer des charges utiles de masses et de volumes variables :
- Le premier étage peut recevoir de 1 à 5 propulseurs d'appoint à poudre Atlas SRB de la société Aerojet qui fournissent individuellement une poussée supplémentaire de 127 tonnes durant les 94 premières secondes du vol.
- Le deuxième étage Centaur similaire à celui de l'Atlas III peut comporter deux ou un (durée de la propulsion doublée) moteurs.
- La coiffe, fabriquée par Contraves le fournisseur de la fusée Ariane, est disponible en 2 diamètres (4 et 5 mètres) et plusieurs longueurs.
Les différentes combinaisons permettent de placer de 12,5 à 20 tonnes en orbite basse et de 5 à 9 tonnes en orbite de transfert (GTO). Chaque modèle est identifié par un numéro à 3 chiffres : le premier chiffre, qui prend la valeur 4 ou 5, désigne le diamètre de la coiffe, le deuxième (de 0 à 5) le nombre de propulseurs d'appoint SRB et le troisième (1 ou 2) le nombre de moteurs de l'étage Centaur). La version comportant un étage Centaur bimoteur n'a pour l'instant jamais volé car il est nécessaire de développer un étage renforcé pour utiliser cette configuration.
Pour le lancement de l'Atlas V, l'aire de lancement 41 de la base de lancement de Cape Canaveral a été reconstruite en reprenant les principes utilisés pour l'assemblage et le lancement des fusées européennes Ariane 5 : le lanceur est complètement préparé et testé dans un bâtiment d'assemblage avant d'être convoyé sur le site de lancement ce qui permet de travailler sur 2 lanceurs en parallèle. L'objectif était de pouvoir lancer 15 fusées par an.
Pour les vols commerciaux Lockheed Martin commercialise à la fois le lanceur russe Proton et l'Atlas V. Le lanceur Proton, moins coûteux est systématiquement sélectionné, sauf lorsque la masse du satellite nécessite le recours à l'Atlas V. Le lanceur Atlas V a été retiré du marché commercial et ne lance plus désormais que des satellites militaires américains pour lesquels les lanceurs américains disposent d'un monopole. Boeing qui commercialise le lanceur concurrent Delta IV faisant face aux mêmes difficultés de commercialisation a également retiré son lanceur du marché commercial. Les deux constructeurs se sont associés depuis 2006 au sein de la coentreprise United Launch Alliance pour mutualiser leur moyens de production : la production de l'Atlas V a été transférée de Littleton chez Lockheed Martin à Decatur en Alabama. La société Aerojet développe et fabrique les boosters.
Le premier lancement d'un Atlas V a eu lieu le 2 août 2002. 19 exemplaires de la fusée ont volé depuis 2002 (chiffre actualisé fin novembre 2009). Il est prévu de lancer grâce à un Atlas V, en 2011, la mission Mars Science Laboratory.
