Chiến tranh thế giới thứ hai
Các tàu sân bay đóng một vai trò quan trọng trong Chiến tranh thế giới thứ hai. Với bảy tàu hoạt động, Hải quân hoàng gia có một ưu thế về số lượng to lớn ở đầu cuộc chiến khi cả Đức và Italia đều không có tàu sân bay.
Sự yếu kém rõ ràng này trước các tàu chiến đã thay đổi vào tháng 10 năm 1940 khi chiếc HMS Illustrious tung ra một cuộc tấn công tầm xa vào hạm đội Italia trong Trận Taranto. Chiến dịch này đã làm mất khả năng chiến đấu của ba trong sáu tàu chiến tại cảng và chỉ mất 2 chiếc trong số 21 chiếc máy bay tấn công Fairey Swordfish torpedo bombers. Các tàu sân bay cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc củng cố cho Malta, cả bằng cách vận chuyển máy bay và bảo vệ các đoàn tàu tiếp tế cho hòn đảo đang bị phong tỏa này. Việc sử dụng các tàu sân bay đã làm cho hải quân Italia và Đức vốn chỉ có căn cứ sân bay trên đất liền không thể thống trị trên vùng Địa trung hải.
Những cải tiến thời chiến
Kinh nghiệm chiến đấu đã cho thấy phát minh “mũi tàu chống bão” của Anh là các sử dụng mũi tàu hữu hiệu nhất, hơn cả súng máy hay một tầng thứ nhì. Loại mũi tàu này đã được sử dụng rộng rãi cho các hàng không mẫu hạm Anh và Mỹ. Hàng không mẫu hạm Nhật Taiho là tàu đầu tiên của Nhật sử dụng phát minh này.
Bắt đầu muộn trong cuộc chiến với lớp tàu sân bay Midway, các tàu sân bay Mỹ đã trở nên to lớn tới mức thực tế việc áp dụng khái niệm thiết kế boong chứa máy bay (hangar deck) trở thành boong mạnh (strenth deck) không còn thích hợp nữa, và mọi tàu sân bay Hoa Kỳ sau này đều có boong cất cánh là boong mạnh, khiến đảo trở thành siêu cấu trúc duy nhất.
Những tàu sân bay hộ tống và Tàu sân bay kiểu tàu buôn
Để bảo vệ các đoàn tàu trên biển Đại Tây Dương, người Anh đã phát triển một kiểu tàu được gọi là tàu sân bay kiểu tàu buôn, chúng vốn là những tàu buôn được trang bị một boong phẳng cho khoảng sáu chiếc máy bay. Chúng được vận hành bởi những đoàn thủy thủ dân sự, treo cờ thương mại, và mang hàng hóa thông thường tuy nhiên vẫn có hỗ trợ bảo vệ bằng không quân. Bởi vì những tàu đó không có thang máy hay chỗ đỗ cho máy bay, việc bảo dưỡng máy bay bị hạn chế và trong suốt cuộc hành trình, máy bay phải đỗ trên boong.
Các tàu sân bay hộ tống sản xuất ở Mỹ thường từ hai kiểu thiết kế thân căn bản: một từ tàu buôn, và một từ tàu chở dầu hơi lớn và tốc độ hơi cao. Bên cạnh việc bảo vệ hộ tống, chúng được sử dụng để vận chuyển máy bay qua biển. Tuy nhiên, một số cũng tham gia vào các trận đánh giải phóng Philippines, nổi tiếng là trận Samar trong đó sáu chiếc tàu sân bay hộ tống và các tàu khu trục đã nhanh chóng tiếp chiến năm tàu chiến Nhật Bản và buộc chúng phải rút lui.