这次试飞成功，引起美国海军部的高度重视。虽然当时有不少舰队指挥官仍然强烈反对继续进行这种试验，他们认为在大型军舰上安装飞行甲板会妨碍各种舰炮威力的发挥。但是，美国海军部却坚持拨出专款做进一步的试验。钱伯斯工程师甚至提出，所有的巡洋舰都应装上这种平台；还有人提出把起飞平台装在战列舰炮塔上面的设想。
在这股热情的推动下，钱伯斯获准让尤金·伊利驾驶飞机在重巡洋。舰“宾夕法尼亚”号上降落，飞行时间定于1911年1月18日，飞行地点在旧金山海湾。这次飞行是从海岸上起飞，在“宾夕法尼亚”号上降落，其飞行难度更大，危险性也更大。同时，对军舰本身也相当危险。为此，伊利把自行车的内胎缠在身上作救生衣，在巡洋舰尾部上方安置了一块长约36米、宽约9.6米的平台，平台从巡洋舰的主桅杆下面一直伸到艇体之外。为了使飞机降落滑行时不至于冲出平台而掉入水中，故让试验在军舰航行时进行，以使飞机降落于舰体之上时能利用逆风的风速控制飞机。同时，他们还在平台上横向配置了双道钩索，每道钩索两端用50磅重的沙袋系住。当飞机从海岸起飞降落在舰船之后，这种古老的方法迫使降落的飞机在其向前滑行的同时降低速度。
1911年1月18日，在“宾夕法尼亚”号重巡洋舰上的飞行试验终于开始了。这一天天气很坏，由于风力大，“宾夕法尼亚”舰的舰长认为该舰所处水域太小，故临时决定抛锚，让舰尾迎风。可以这样说，该舰长的这一决定是非常错误的，他给伊利带来了更大的危险。好在伊利当时对这一危险的认识程度不足，他仍像平安无事一样，驾机向“宾夕法尼亚”号开去，并在着舰前迅速降低高度冲向舰尾。在贴近平台的倾斜尾板时，他拉起飞机，迅速关闭引擎，由于飞机的冲力巨大，飞机轮子旁专门制作的铁挂钩只挂住了后面的11根拦阻索，在距平台前端仅9米的地方停下来。一个小时之后，伊利又驾驶飞机从这艘巡洋舰上起飞，安全降落在海岸上。
这次试验的成功，引起了世界各国海军的普遍关注，各海军大国纷纷开始了类似的试验。可以这样说，这次试验与首次试验一起奠定了航空母舰作为一种新舰种的基础。
在第一次世界大战中，潜艇的作战威力日益显露，由于飞机在反潜作战中具有独特的反潜作战能力，使得飞机的作用和地位不断提高，故此，航空母舰的正式改装研究工作起步了。
由于美国部分高级将领强烈反对这项研究，使得美国已经取得的试验成果未能发挥它应有的作用。英国海军后来居上，不久就将一艘巡洋舰“竞技神”号改装成世界上第一艘以搭载水上飞机为主要使命的航空母舰。1918年，英国海军将一艘巡洋舰的前、后甲板上的主炮塔拆除，铺上跑道，以甲板中部的上层建筑为界，舰艏的跑道供飞机起飞用，舰艉的跑道供飞机降落用，这是最早出现的由旧军舰改装而成的真正的航空母舰，它能装载20架飞机。
由于飞机起飞跑道和降落跑道的分开铺设，使得在一艘长度有限的航空母舰上，起飞和降落的跑道均显得过于短小。经过多次试验，英国海军部决定将由客轮改建的“百眼巨人”号改装成全通式飞行甲板，割去烟囱，改成装在甲板边缘下面通向舰艉的水平排烟道，这样，飞机的起飞和降落就方便多了。
1922年，美国海军部终于力排众议，把一艘运煤船改装成美国第一艘航空母舰“兰格利”号，该舰标准排水量1.105万吨，满载排水量1.47万吨，可载机30多架。
就在同年底，日本新建了一艘航空母舰“凤翔”号，这是世界上第一艘直接设计和建造的航空母舰。“风翔”号于1919年开始设计，该舰的飞行甲板右舷装有3个小烟囱，烟囱上装有铰链，飞机起飞时，3个小烟囱均可放倒。其火炮装备很少，可载机26架。“风翔”号的出现，标志着浩瀚的大海上，从此出现了初步具备现代航空母舰规模的“海上航空兵基地”。最初，“凤翔”号航空母舰采用了岛式上层建筑，有两部中线配置的升降机。1923年，经过试航后，日本人决定拆掉岛式上层建筑，以此得到平甲板。
早期的航空母舰只配置了少量小型战斗机、侦察机和轰炸机，而这时航空母舰上所装载的战斗机仍是陆基作战飞机；飞机在甲板上起降都较困难，也较危险。不过，飞机毕竟能从舰艇上起降，航空母舰毕竟完成了其他军舰难以担负酌任务。
二战中的航空母舰
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。
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，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，苏联一直未能建造航空母舰。
