长征五号系列运载火箭按照“立足长远、统筹规划、优先发展、分步实施”的发展原则，遵循“一个系列、两种发动机、三个模块”的总体思路，贯彻“通用化、组合化、系列化”设计思想，以“高可靠、低成本、无毒、无污染、适应性强、安全性好”为发展目标开展论证和研制。
长征五号运载火箭的研制并不是以单一任务为目标，而是瞄准中国航天发展的现实和迫切需求而规划的一个系列化运载火箭，基于5 m直径模块，共规划了6个构型，实现对各种典型任务需求的覆盖，其中地球同步转移轨道（Geosynchronous Transfer Orbit，GTO，GTO）覆盖6~14 t，近地轨道（（Low Earth Orbit，LEO）覆盖10~25 t；基于3.35 m直径和2.25 m直径模块，构建了新一代中、小型运载火箭。 目前已经首飞并工程应用的长征五号火箭是两级半最大构型，采用5 m直径氢氧芯级、捆绑4个3.35 m直径液氧煤油助推器方案，主要用于中高轨及深空探测发射任务；已经首飞的长征五号B火箭是一级半最大构型，相比长征五号火箭，减少了二子级、并采用了更大规模的整流罩，以满足载人空间站工程舱段发射任务的使用需求。
长征五号和长征五号B火箭实现了助推器和芯一级模块完全共用，在国内首次实现了两型大型火箭的并行研制，大幅缩短了研制周期、节约了研制经费，为中国运载火箭的模块化、系列化发展积累了丰富的研制经验。
由于长征五号系列运载火箭肩负的历史责任和使命，在方案论证初期即确定了“高起点、高定位、实现跨越式发展”的指导思想，由此导致长征五号运载火箭的研制具有“两多、两大、两新、一同步”的特点，即：a）两多：新技术多、新研产品多；b）两大：技术跨度大、研制规模大；c）两新：研制队伍新、研制手段新；d）一同步：型号研制与研保条件建设同步。
长征五号运载火箭新技术比例超过90%，在研制过程中，攻克了以全新5 m箭体结构和2219铝合金新材料、三型全新高性能、无毒无污染发动机、全新控制系统级冗余和总线技术、高码率双点频冗余传输技术及“新三垂”测发模式为代表的12大类200余项核心关键技术；研制过程中累计投产各类单机产品18000余台（套），开展各类地面试验20 000余次。
2016年，长征五号火箭首飞成功，全面验证了火箭总体方案以及各分系统设计方案的正确性、协调性。