1939年，第二次世界大戰在歐洲爆發，此時，在大西洋戰場上，擁有7艘航空母艦和15艘戰列艦的英國海軍實力雄厚。1940年11月 11日，英20餘架飛機從“光輝”號航母上起飛，突襲義大利塔蘭託海軍基地，在6個半小時的戰鬥中就擊沉擊傷3艘戰列艦、兩艘巡洋艦、兩艘輔助戰船，擊毀1個水上機場和油庫，僅損失兩架飛機。1941年5月24日~ 26日，英兩艘航母的艦載機重創德國新造的4萬噸級戰列艦“俾斯麥”號。航母艦載機擊毀重型戰列艦的戰績，宣告大艦巨炮主義已被“沒有制空權就沒有制海權”的新的海戰理論所取代。巨型戰列艦主宰海洋的時代已經過去了。
為了在大西洋進行反潛護航作戰，美國在兩年多的時間裡緊急動員，用商船改裝了100多艘護航航母，為奪取戰爭的勝利發揮了極為重要的作用。這些改裝型航母一般在 7000 ~ 12000噸之間，載30餘架飛機。作為飛機運載艦時，最多可載60多架飛機。美國當時專門設計和建造的“卡薩布蘭卡”級護航航母排水量11000噸，可載機60餘架，有一家造船廠在18個月中就突擊建造50多艘。
在太平洋戰場上，1941年12月7日，日本以6艘航母、423 架艦載機、24 艘大中型艦艇和3艘潛艇組成海上聯合艦隊，偷襲美珍珠港海軍基地，1個半小時擊沉擊傷美戰列艦7艘、大型艦艇12艘、中小型艦艇20餘艘，擊毀飛機420餘架、斃傷3615人，自己僅損失29架飛機和5規潛艇。這是海戰史上航母編隊對陸攻擊規模最大、戰果最顯著的一次。
1942年5月3日-8日，日本以3艘航母、125架飛機和27艘大中型戰艦組成海上編隊，美國以兩艘航母、141架飛機、20艘大中型戰艦組成海上編隊，在珊瑚海進行了海戰史上第一次航空母艦的決戰，雙方交戰距離第一次超出目視距離和大炮射程，所有護航戰艦一彈未發， 只靠航母艦載機進行海空一體戰。結果，日損失1艘輕型航母、1艘驅逐艦、80架飛機和900人;美損失1艘航空母艦、1艘驅逐艦、1艘油輪、66架飛機和 543人。
1942年6月3日~ 7日，日本以5艘航母、11艘戰列艦、72艘大中型水面艦艇，美以3艘航母、22艘大中型水面艦艇在中途島海域展開激戰。美以劣勢兵力、配以島/岸基飛機幾乎全殲強大的日本艦隊，擊沉其4艘航母及所攜的280架艦載機，擊毀50架飛機，斃傷3500人，美損失1艘航空母艦、1艘驅逐艦、150架飛機、307人，迫使日本海軍轉人戰略守勢。
1944年10月20日~ 26日，日本以4艘航空母艦、約200架艦載機、500 架岸基飛機、9艘戰列艦、54艘大中型水面艦艇、14 艘潛艇;美國以17艘航空母艦和18艘護航航母、約1100架艦載機、400架岸基飛機、12艘戰列艦、135艘大中型艦艇、29艘潛艇，在萊特灣決一死戰，結果日本4艘航空母艦被擊沉，損失大中型艦艇24艘，飛機150架、1萬餘人。日海軍航空兵徹底毀滅，縮至本土，頑抗待降。第二次世界大戰期間，世界各國航空母艦數量從第一次世界大戰結束時的13艘一下子猛增到176艘，而稱霸於世界海洋幾百年的戰列艦從140艘下降到40艘，航空母艦和戰列艦的比例第一次形成4 : 1 的絕對優勢。大戰中，有200多艘各種艦船被航母擊沉。航空母艦由艦隊輔助兵力變為主要突擊兵力，不僅取代戰列艦成為制空制海的主要兵器，也成為海軍遠洋作戰和對陸攻擊的重要軍事力量。
