Хотя Сантос-Дюмон продолжал работать над дирижаблями, его интерес вскоре переключился на аппараты тяжелее воздуха. К 1905 г. он завершил работу над своим первым самолётом, а также вертолётом. 23 октября 1906 г. Сантос-Дюмон совершил полёт на самолёте, преодолев расстояние 60 м на высоте 2–3 м. Этот случай был задокументирован Французским аэроклубом как первый полёт на аппарате тяжелее воздуха с двигателем и несъёмным шасси. Сантос-Дюмон получил приз Аршдекона, учреждённый французом Эрнестом Аршдеконом в июле 1906 г., который должен был быть вручён первому лётчику, пролетевшему более 25 м только с помощью собственного двигателя.
12 ноября 1906 г. Сантос-Дюмон пролетел 220 м менее чем за 22 секунды.
Сантос-Дюмон значительно усовершенствовал технологию строительства самолётов.
Последним проектом Сантос-Дюмона был моноплан «Демуазель». Этот самолёт использовался в качестве собственного транспортного средства Сантос-Дюмона, и он охотно разрешал другим копировать его проект. Фюзеляж состоял из специально укреплённого бамбукового лонжерона, а пилот сидел низко между главными колёсами трёхколёсного шасси. «Демуазель» управлялся в полёте приспособлением на хвосте, которое функционировало и как элеватор, и как руль, и как механизм для перекоса крыла.
Высокоплан «Демуазель» имел размах крыла чуть более 5 м и длину 8 м. Его вес был немногим более 110 кг вместе с пилотом. Место пилота находилось ниже соединения крыла с фюзеляжем, немного сзади колёс. Управлялась машина штурвалом. Тросы, поддерживающие крыло, были сделаны из струн фортепьяно. Но мощность двигателя по-прежнему была недостаточна. Сантос-Дюмон постоянно работал над улучшением «Демуазель»: сделал треугольный укороченный фюзеляж из бамбука; двигатель установил перед крылом, увеличил размах крыла.
«Демуазель» был построен всего за пятнадцать дней. Самолёт показывал выдающиеся результаты для своего времени, легко пролетая 200 м со скоростью 100 км/ч. «Демуазель» стал последним самолётом Сантос-Дюмона. Он совершал на нём полёты в 1909 г. в Париже и его окрестностях. 13 сентября 1909 г. «Демуазель» совершил первый международный полёт дальностью 8 км из Сан-Сира в Бук с возвращением на следующий день.
«Демуазель», оснащённый двухцилиндровым двигателем, приобрёл большую популярность. Будущий французский ас Первой мировой войны Ролан Гаррос совершил полёт на нём над парком Бельмонт в Нью-Йорке в 1910 г.
Журнал «Популярная механика» опубликовал чертежи «Демуазель», подтвердив, что самолёт Сантос-Дюмона лучше других построенных к этому времени. Сантос-Дюмон передал чертежи «Демуазель» для свободного использования, полагая, что авиация станет главным направлением прогресса человечества. Автопромышленник Клеман Баярд построил несколько аппаратов «Демуазель», которые были проданы за 50000 франков.