1935年，希特勒宣布德國將會興建航空母艦以增強德國海軍的實力，隔年兩艘航母的龍骨在造船廠安置。在1938年公開的造艦計劃—Z計劃中，德國海軍預計在1945年以前興建4艘航空母艦，但是1939年時將數量減為兩艘。1939年9月，第二次世界大戰爆發，德國迅速地打敗了波蘭與法國，但是戰爭開始之后資源需求龐大，而德國在戰前就已經面臨資源缺乏的狀況，使得德軍的航母計劃遂而推延。面對久戰不下的英國，德國改采取潛艇攻擊英國海上貿易線，封鎖其戰爭物資。
戰爭初期英國商船隊損失慘重，經過幾度挫折后，英國海軍的航母逐漸凸顯其作用，在1940年11月突襲意大利塔蘭托港、1941年5月圍攻德國戰艦俾斯麥號和1942年8月援救馬爾他島的「基座行動」中均有杰出的表現，其中尤以塔蘭托的作戰中，英軍憑著20多架魚雷機突襲，即獲得三艘意大利戰艦喪失作戰能力的巨大成果。歐洲戰場中，由于僅有英國海軍擁有強大的航母兵力，故航母涉入的海戰主要是德意兩國的岸基飛機與其交手。
到二戰中期時，英美兩國大量建造了成本低廉的「護航航空母艦」以及「商船航空母艦」，以其搭載少量飛機即可達到威脅德軍潛艇的效果，最終令盟軍于大西洋的潛艇戰中獲得了勝利。法國的貝亞恩號于大戰期間則都是在半封存的狀態下，1944年美國將這艘船運回美國本土再度改裝，這一次則是改為一艘運輸艦，完成之后交給法國使用。
另一邊，太平洋則出現了海軍史上最激烈的海空大戰，交手的美軍與日軍皆擁有強大的航母艦隊。1941年，日本決定與英美荷三國開戰。鑒于塔蘭托的例子，日本海軍設計了偷襲美國珍珠港的行動，這是首次大規模集中使用航母武力的作戰，1941年12月7日日軍共將派出6艘航母、353架艦載機對港內的美軍艦隊實施轟炸，最終美軍太平洋艦隊有18艘水面艦艇受到重創，其中兩艘戰艦受損過重沉沒或者是無法修復。雖然日本海軍航空兵在本次行動中表現了近乎完美的對艦攻擊，但由于美軍港內并未停泊航母，使得日軍雖然達成牽制美國太平洋艦隊的目標，但是未能重創其海軍航空兵力，實際上僅是終結了各國海軍一度崇尚的大艦巨砲主義，往后航空母艦將取代戰艦成為海戰中決定勝負的關鍵。
在1942年初的日軍接連攻勢中，航空母艦與飛機展現了強大的對艦打擊能力。馬來亞海戰中，英國兩艘戰艦與戰斗巡洋艦在缺乏空中武力保護的情況下出航，立刻被日軍88架陸基飛機擊沉，后者僅損失6架飛機；印度洋空襲行動中，日軍再度集中航母對英軍駐于錫蘭港內的艦隊發動空襲，將英國海軍戰力暫時性地自太平洋驅逐。 不久，美軍憑借航空母艦逐漸扭轉了日美兩國的海軍形勢。
1942年5月，發生了首次航母間的戰斗——珊瑚海海戰，雙方的船艦皆在彼此艦員視距外，全憑艦載機進行攻擊與防御；同年6月爆發的中途島海戰是航母間首度的大規模會戰。會戰的關鍵時刻, 日本航母的艦載機當時正在進行彈藥換裝作業，加上損害管制能力不足，因此大部分參與此戰役的日軍航母在美軍轟炸機突襲之下被一舉擊沉。此后，日軍于太平洋發動攻勢的能力即大為減弱。
1942年8月，日本再于南太平洋損失大量海軍飛行員，美軍在此期間爭取到其將全國工業能力投入戰爭生產的時間，一批批新式航母下水服役、大量訓練完的飛行員進入前線服役，而日軍在人員與航母的損失太大，從而補充不及。最后，1944年6月與10月的菲律賓海海戰、雷伊泰灣海戰更是將日軍航母與飛行員消耗殆盡，除了自殺式飛機襲擊外，沒有方法阻擋美國海軍向其本土進逼，美國航母戰斗群發揮了摧毀敵人海軍以及封鎖海上通商線的強大能力，進而促使日本最后的投降。
二戰航母使用方式蓬勃發展，在起降、傷害管制和攻擊方式方面皆有極大的突破，并于實戰中獲得大量經驗。
