1935年，希特勒宣布德国将会兴建航空母舰以增强德国海军的实力，隔年两艘航母的龙骨在造船厂安置。在1938年公开的造舰计划—Z计划中，德国海军预计在1945年以前兴建4艘航空母舰，但是1939年时将数量减为两艘。1939年9月，第二次世界大战爆发，德国迅速地打败了波兰与法国，但是战争开始之后资源需求庞大，而德国在战前就已经面临资源缺乏的状况，使得德军的航母计划遂而推延。面对久战不下的英国，德国改采取潜艇攻击英国海上贸易线，封锁其战争物资。
战争初期英国商船队损失惨重，经过几度挫折后，英国海军的航母逐渐凸显其作用，在1940年11月突袭意大利塔兰托港、1941年5月围攻德国战舰俾斯麦号和1942年8月援救马尔他岛的「基座行动」中均有杰出的表现，其中尤以塔兰托的作战中，英军凭着20多架鱼雷机突袭，即获得三艘意大利战舰丧失作战能力的巨大成果。欧洲战场中，由于仅有英国海军拥有强大的航母兵力，故航母涉入的海战主要是德意两国的岸基飞机与其交手。
到二战中期时，英美两国大量建造了成本低廉的「护航航空母舰」以及「商船航空母舰」，以其搭载少量飞机即可达到威胁德军潜艇的效果，最终令盟军于大西洋的潜艇战中获得了胜利。法国的贝亚恩号于大战期间则都是在半封存的状态下，1944年美国将这艘船运回美国本土再度改装，这一次则是改为一艘运输舰，完成之后交给法国使用。
另一边，太平洋则出现了海军史上最激烈的海空大战，交手的美军与日军皆拥有强大的航母舰队。1941年，日本决定与英美荷三国开战。鉴于塔兰托的例子，日本海军设计了偷袭美国珍珠港的行动，这是首次大规模集中使用航母武力的作战，1941年12月7日日军共将派出6艘航母、353架舰载机对港内的美军舰队实施轰炸，最终美军太平洋舰队有18艘水面舰艇受到重创，其中两艘战舰受损过重沉没或者是无法修复。虽然日本海军航空兵在本次行动中表现了近乎完美的对舰攻击，但由于美军港内并未停泊航母，使得日军虽然达成牵制美国太平洋舰队的目标，但是未能重创其海军航空兵力，实际上仅是终结了各国海军一度崇尚的大舰巨砲主义，往后航空母舰将取代战舰成为海战中决定胜负的关键。
在1942年初的日军接连攻势中，航空母舰与飞机展现了强大的对舰打击能力。马来亚海战中，英国两艘战舰与战斗巡洋舰在缺乏空中武力保护的情况下出航，立刻被日军88架陆基飞机击沉，后者仅损失6架飞机；印度洋空袭行动中，日军再度集中航母对英军驻于锡兰港内的舰队发动空袭，将英国海军战力暂时性地自太平洋驱逐。 不久，美军凭借航空母舰逐渐扭转了日美两国的海军形势。
1942年5月，发生了首次航母间的战斗——珊瑚海海战，双方的船舰皆在彼此舰员视距外，全凭舰载机进行攻击与防御；同年6月爆发的中途岛海战是航母间首度的大规模会战。会战的关键时刻, 日本航母的舰载机当时正在进行弹药换装作业，加上损害管制能力不足，因此大部分参与此战役的日军航母在美军轰炸机突袭之下被一举击沉。此后，日军于太平洋发动攻势的能力即大为减弱。
1942年8月，日本再于南太平洋损失大量海军飞行员，美军在此期间争取到其将全国工业能力投入战争生产的时间，一批批新式航母下水服役、大量训练完的飞行员进入前线服役，而日军在人员与航母的损失太大，从而补充不及。最后，1944年6月与10月的菲律宾海海战、雷伊泰湾海战更是将日军航母与飞行员消耗殆尽，除了自杀式飞机袭击外，没有方法阻挡美国海军向其本土进逼，美国航母战斗群发挥了摧毁敌人海军以及封锁海上通商线的强大能力，进而促使日本最后的投降。
二战航母使用方式蓬勃发展，在起降、伤害管制和攻击方式方面皆有极大的突破，并于实战中获得大量经验。