航空母舰是以舰载机为主要武器并作为其海上活动基地的大型水面战斗舰艇、海军水面战斗舰艇的最大舰种。主要用于攻击水面舰艇、潜艇和运输舰船，袭击海岸设施和陆上战略目标，夺取作战海区的制空权和制海权，支援登陆和抗登陆作战。
二战爆发后，德国潜艇便显示出了令人难以预料的战技术优势。为跟德国潜艇抗衡，英国海军成立了几支猎潜舰队，每支猎潜舰队均由1艘航空母舰和4艘驱逐舰组成，企图以此打击德国潜艇的嚣张气焰。
但事实上，这一设想的执行意味着“竞技神”号、“勇敢”号、“暴怒”号以及“皇家方舟”号脱离主力舰队，被派到西海岸和其他类似海域进行巡逻，期望它们的飞机能够支援常常遭到德国潜艇攻击的护航船队。但由于航空母舰体积庞大，易于被攻击，故英国人不敢轻易让他们的航空母舰驶入德国潜艇经常出没的海域，而且，当时航空母舰上的飞机性能还较差，不太容易击沉潜艇。
1939年9月14日，英“皇家方舟”号发现了德国“U-39”号的潜艇航迹，但其飞机并未起任何作用。相反，倒是担任警戒的驱逐舰用深水炸弹给德潜艇以重创。3天后，德国潜艇看准了英航空母舰的弱点，“U-39”号潜艇以3枚鱼雷命中“勇敢”号航空母舰，一举将之击沉，578名官兵随舰体沉入大海，无一生还。“勇敢”号被击沉后，引起了全英国的震惊，其余的航空母舰立即撤回。
在没有先进的舰载机和优秀的舰载飞机飞行员的情况下，航空母舰不但难以与潜艇相抗衡，甚至连一些中小型舰艇也难以对付。1939年6月7日，英国海军的航空母舰“光荣”号携载着本舰的“剑鱼”式飞机和皇家空军的部分“斗士”式和“飓风”式战斗机航行到纳尔维克以西海面，突遭德国战列巡洋舰“沙恩霍斯特”号和“格奈森诺”号的堵截。护卫“光荣”号的两艘驱逐舰边施放烟幕掩护边全力还击，有一枚鱼雷命中了“沙恩霍斯特”号，但因为航空母舰上停有空军的飞机，本舰飞机难以升空作战，故不久就被德舰击沉，另外两艘护航驱逐舰也被击沉，3艘军舰只有46人幸存。
真正奠定航空母舰于海战中地位和作用的是珍珠港海战。1940年12月7日上午7时30分，一支拥有6艘航空母舰、2艘战列舰、2艘巡洋舰和9艘驱逐舰的日本舰艇编队，在大雾茫茫之时驶达夏威夷群岛北部离瓦胡岛230海里的海域，企图一举消灭驻泊于瓦胡岛上珍珠港口的美国太平洋舰队。7时55分，舰队的350多架舰载飞机，携带着航空炸弹和鱼雷，分两批直向珍珠港扑去。
那天正值周末，美太平洋舰队除个别舰艇外出执行任务，其余全都驻泊于港内。许多官兵都到岸上去度周末，留在舰上的军官和水兵也起得很晚。就在日本首批海军飞机抵达珍珠港上空的时候，瓦胡岛舰群的烟囱连一缕轻烟也没有升起，港内的舰船可以说才刚刚苏醒。
当日本首批飞机已在珍珠港内舰群上空盘旋时，美海军乐队还在奏国歌，升国旗，直到国旗升到一半时，日本飞机投放下第一枚鱼雷，人们这才开始醒悟，惊呼：“空袭！空袭！这不是训练！”顿时，舰上官兵乱作一团，惊恐万状。仅1小时35分钟时间的袭击，日本海军航空兵就把美太平洋舰队的数艘战舰、389架飞机、4570多人炸得伤的伤、沉的沉。
日本海军以航空母舰编队偷袭珍珠港取得成功，以及日本海军在偷袭珍珠港之后的第三天，为冲破英国人的封锁而击沉了英国的一艘号称永不沉没的“威尔斯亲王”号战列舰的事实，彻底打破了战列舰统治大海的神话，使航空母舰一跃而成为海战场上的重要角色。
能够说，珍珠港事件是航空母舰发展史上的里程碑，它宣告了航空母舰的崛起和战列舰时代的结束。此后，美国海军尽管没有正式颁布文件，但实际上已放弃用战列舰作为舰队的主力，而改为航空母舰特混编队作为海战的主要作战力量。
随着太平洋战争的日益扩大，美日等国运用航空母舰大打海上空战。如中途岛海战主要是由舰载航空兵进行的，海战的胜负即由航空兵击伤敌方航空母舰多少而决定的。同样，在1942年5月的珊瑚岛海战中，日本人没有发射一发炮弹，仅凭航空母舰的巨大威慑力就取得了战略和战术上的胜利。
此外，1942年8月24日的东所罗门海战和10月26日的圣克鲁斯海战以及几次大的海战和登陆作战，都是由于航空母舰参战而决定胜负的。为此，在二战期间，有的大国就一边建造新舰，一边把一些商船和战列舰等也改成航空母舰。
从1941年起，日本海军开始从改装航空母舰转变为直接建造航空母舰。1941年，日本决定建造一艘“飞龙”级改型航空母舰。1942年，决定建造一艘“飞龙”级改型航空母舰的姐妹舰。后来，鉴于中途岛海战中损失了4艘航空母舰，日本再次决定加速航空母舰的建造，将建造2艘“大风”型航空母舰的计划改为建造5艘，后又将几艘邮船和2艘水上飞机母舰改装成了航空母舰。再后，日本人甚至提出建造13艘“云龙”型航空母舰的计划，不过由于本国工业实在无法承受而未能实现。
为使商船队少受德意等国潜艇跟水面舰艇的袭击，同盟国在1943年下半年开始建造了一种特殊的航空母舰——载机商船。这是一种装有简易甲板的油船或粮食船，能携带3到4架飞机。当时，共有6艘粮船和13艘油船改成了载机商船。载机商船一共参加了4000多航次的航行。载机商船的优点在于既能运载，又能护航，战后还能方便地改成商船。
比较而言，美国在建造航空母舰上最为狂热，几乎动员了全国所有能动员的造船力量建造航空母舰，从而使航空母舰的数量急剧增加。到1945年初，美国已服役的航空母舰达52艘，正在建造的还有18艘。
总的来说，航空母舰在二战期间获得了迅速发展。二战后期，各国还发展了一些夜战航空母舰。夜战航空母舰同常规航空母舰的作战时间恰好相反，很少进行昼间飞行，而是将白天的时间留给飞行员休息或对飞机进行维护保养，夜间进行战斗或训练。“独立”级航空母舰的首舰在1944年装备专用设备后，改装成为世界上第一艘夜战航空母舰。
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