Vào tháng 12/2005, với việc thúc đẩy bởi sự quan tâm của Emirates và Qantas, Boeing đang nghiên cứu khả năng kéo dài thêm dòng máy bay 787-9 với số ghế từ 290 đến 310 hành khách. Biến thể này sẽ tương tự như sức chứa của Airbus A350-900 và Boeing 777-200ER. Các cuộc thảo luận với khách hàng vẫn tiếp tục vào đầu năm 2006. Mike Bair, phó chủ tịch kiêm tổng giám đốc chương trình phát triển 787 của Boeing vào thời điểm đó, cho biết việc phát triển 787-10 sẽ dễ dàng hơn sau khi các khách hàng khác làm theo yêu cầu của Emirates.

Biến thể được hình dung là thay thế các máy bay Boeing 777-200, Airbus A330 và Airbus A340. 787-10 còn cạnh tranh với Airbus A350-900. Theo Boeing, nó mang lại hiệu quả kinh tế tốt hơn so với Airbus A350 trên các đường bay ngắn hơn. Steven Udvar-Hazy cho biết "Nếu nó được cấu hình giống hệt nhau, 787-10 có một chút lợi thế so với A350-900", nhưng nhỏ hơn ước tính của Boeing là 10%. Máy bay 787-10 dài 68 m, sức chứa 330 hành khách trong cấu hình hai hạng ghế và có tầm bay 11.910 km.

Boeing đã hoàn thành thiết kế chi tiết cho 787-10 vào ngày 2/12/2015. Việc lắp ráp chính bắt đầu vào tháng 3/2016. Các nhà thiết kế đã nhắm mục tiêu 90% tính tương đồng giữa 787-9 và 787-10 và đạt được 95%; độ giãn 18 ft đạt được bằng cách tăng thêm 10 ft về phía trước của cánh và 8 ft về phía sau, và bằng cách tăng cường thân máy bay để chịu tải trọng uốn trong hộp cánh trung tâm. Do chiều dài và cần có thêm lớp bảo vệ chống va đập ở đuôi, một càng hạ cánh được cắt rời cho phép quay qua các bánh sau chứ không phải ở trung tâm bogie như 777-300ER và hệ thống điều hòa không khí trong cabin có công suất lớn hơn 15%. Nền tảng thử nghiệm 787-10 đầu tiên và thứ ba kết hợp động cơ Trent 1000 TEN mới của Rolls-Royce, trong khi bệ thứ hai được trang bị động cơ cạnh tranh General Electric GEnx-1B.

Phần thân máy bay 8,7% kéo dài từ 787-9 đến 787-10 có thể làm tăng trọng lượng rỗng với tỷ lệ thấp hơn mức tăng 7,4% từ 787-8 đến 787-9 do giãn 10,7%. Phần mềm làm tăng hiệu quả của cánh đuôi để tránh sửa đổi nó. Với cùng một cánh nhưng thân máy bay dài hơn 787-9, biên độ cánh quạt được giảm xuống cho 787-10 nhưng để tránh làm cứng cánh hoặc thêm đối trọng đầu cánh cho tính tương đồng, phần mềm sẽ dao động thang máy trong hệ thống triệt tiêu chế độ thẳng đứng (F0VMS), tương tự như hệ thống giảm tải gió giật dọc.

Ngày 30/5/2013, Singapore Airlines đã trở thành khách hàng đầu tiên khi tuyên bố sẽ đặt hàng 30 chiếc 787-10 (với điều kiện Boeing đã khởi động chương trình), sẽ được giao trong năm 2018–2019. Ngày 18/6/2013, Boeing đã chính thức ra mắt chiếc 787-10 tại Triển lãm Hàng không Paris, với các đơn đặt hàng hoặc cam kết mua 102 chiếc từ Air Lease Corporation (30 chiếc), Singapore Airlines (30 chiếc), United Airlines (20 chiếc), British Airways (12 chiếc) và GE Capital Aviation Services (10). Tính đến tháng 8/2020, 787-10 có 211 đơn đặt hàng, trong đó 58 chiếc đã được giao, 7 chiếc đang được cất giữ.

Tháng 1/2018, 787-10 đã được FAA chứng nhận sau khi thử nghiệm trong 900 giờ bay. Boeing đã nhận được giấy chứng nhận sản xuất vào ngày 15 tháng 2.