第二次世界大战一开始，德国潜艇就显示出它令人难以预料的战技术优势。为了与德国潜艇抗衡，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。尽管这一设想较为“可爱”，但它却是错误的。因为，这一设想的执行即意味着“竞技神”号、“勇敢”号、“暴怒”号和“皇家方舟”号脱离主力舰队，而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，尽管英“皇家方舟”号发现了德国“U-39”号的潜艇航迹，但其飞机却未起任何作用。相反，倒是担任警戒的驱逐舰以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，一举击沉了它，578名官兵随舰体沉人大海，无一生还。“勇敢”号被击沉，引起了英国全国震惊，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”号航空母舰的两艘驱逐舰边施放烟幕掩护边全力还击，并有一枚鱼雷命中了“沙恩霍斯特”号，但由于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。
真正奠定了航空母舰在海战中的地位和作用的是在珍珠港海战。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，顶着滔滔巨浪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。这天正值周末，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舛艘战舰、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。可以这样说，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。
在第二次世界大战中，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1942年6月4日～1942年6月6日的中途岛海战，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同年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，在第二次世界大战期间，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。例如日本1940年投入营运的3艘L7万吨级的豪华邮船“新田丸”、“八幡丸”和“春日丸”，由于通往欧洲的航线被战争所切断，于是被用来改装成为3艘名为“大鹰”号、“冲鹰”号和“云鹰”号轻型航空母舰。改装后的航空母舰航速21节，载机30架。1940年10月，日本海军将日本邮船公司的两艘2.7万吨邮船进行改装，命名为“飞鹰”号和“隼鹰”号，于1942年夏季编人现役，其排水量2.414万吨，载机53架。这是日本第一批把烟囱装在上层建筑上的航空母舰，其烟囱呈26度斜角外伸，使烟尘不会漂到飞行甲板的上方；1941年，日本人根据1939年制定的“04”计划建造了一艘新型航空母舰“大风”号，令人难以理解的是，日本人建造的这艘新型航空母舰除烟囱成26度角外伸，舰艏和烟囱都是封闭式以外，竟与英国海军的“光辉”级航空母舰很相似，该舰排水量2.93万吨，航速33节，能搭载53架飞机和21架飞机备件，该舰1944年加入舰队。
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，日本人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，之后又将几艘邮船和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，只是因本国工业实在无法承受而未能实现。
为了能使商船队少受德、意等国潜艇和水面舰艇的袭击，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。载机商船是一种装有简易甲板的油船或粮食船，能携带3架～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多个航次的航行。在这些航次的航行中，载机商船没有击沉过德国潜艇，也未能使德国潜艇及其他水面舰艇得逞。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够动员的造船力量来建造航空母舰，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。
前苏联海军建造航空母舰的设想起源于1913年，当时沙哦海军已于1910年在波罗的海和黑海两地成立了海军航空学校。当时，设想建造的航空母舰航速达30节，但因第一次世界大战和国内革命的爆发而告吹。第一次世界大战开始不久的1914年，沙俄海军在黑海将两艘5000吨级的货轮改装成了水上飞机母舰，每舰搭载水上飞机7架～8架。之后，一直未有真正的航空母舰诞生。直到军队进行大清洗后的1938年，库兹涅佐夫任海军总司令，制定了一项宏伟的海军建设计划：拟在10年内建造4艘航空母舰。这一计划由于当时的领导人斯大林的不积极支持以及战争的影响而流产了。直到1944年，斯大林发现岸基飞机难以成为太平洋舰队和北海舰队的臂膀，再次决定建造4艘航空母舰和1400多艘小型舰船。不过，当时的前苏联却不具备建造航空母舰的条件，向德国寻求援助又遭拒绝而再次未能建成航空母舰。第二次世界大战结束时，前苏联从战败的德国获得了一艘即将建成的“格拉夫兹伯林”号航空母舰。但在拖往列宁格勒的途中，突遇暴风而沉人大海，至此之后20年，前苏联一直未能建造航空母舰。
总的来说，航空母舰在第二次世界大战期间获得了迅速发展。航空母舰数量的急剧增加，必然导致航空母舰新舰型的不断涌现，从而使航空母舰的性能也进一步优化。例如，第二次世界大战期间设计建造的“爱塞克斯”级重型航空母舰、“中途岛”级航空母舰、“巨人”号航空母舰以及“独立”级航空母舰。“爱塞克斯”级航空母舰满载排水量3.638万吨，总长265.8米，航速达33节，配备航载飞机85架～100架。“中途岛”级航空母舰是一种重型攻击航空母舰，其满载排水量6.1万吨，航速33节，载有舰载飞机75架。这些重型航空母舰主要用于攻击陆上目标、水面舰船、水下潜艇等。“巨人”号航空母舰是英国建造的轻型航空母舰，其满载排水量1.85万吨，航速23.5节，载飞机35架～50架。“独立”级航空母舰是美国建造的轻型航空母舰，其满载排水量1.3万吨，航速33节，载飞机45架。这些轻型航空母舰主要担负舰艇编队的防空、反潜任务。此外，其他国家也建有不少新型的航空母舰。据不完全统计，到第二次世界大战结束时，各国新建和改建的航空母舰已逾200艘。
第二次世界大战后期，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这种军舰上的战斗机由于在专用设备的辅助下，很小进行昼间飞行，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。