1910年11月14日，也就是飞机发明7年后，美国人尤金·伊利（Eugene Ely）驾驶着一架双翼飞机从“伯明翰”号巡洋舰上起飞。飞行了一段距离后安全降落在附近的一片海滩上，这是人类第一次驾驶飞机从军舰上起飞。紧接着两个月后的1911年1月18日，他又在“宾夕法尼亚”号巡洋舰上完成了完整的起飞与降落。创下人类首次在军舰上起降飞机的纪录。
第一次世界大战前，水上飞机主要被用于侦察，它能在水上起飞和降落。但是它的装载和运输是一个大问题。早期的水上飞机只能被放在船后，由船只来牵引。一但遇上恶劣天气，它就有进水或倾覆的危险。1912年开始，英国海军先后改造了军舰和邮轮用来装载它，这种船只后来被称为“水上飞机母舰”。它就是航空母舰最早的雏形。
一战中，英国军方提出，将水上飞机用于作战，并要搭配保护它的战斗机。因此，不能再只用没有飞行甲板、没法起降战斗机的水上飞机母舰，必须重新设计另一种新型军舰，这就是后来的航空母舰。
1917年6月，英国以“暴怒”号巡洋舰为基础，加装大型飞行甲板，改装成航空母舰，使其成为第一艘可以起降固定翼飞机的船只。然而“暴怒”号仍然不具有全通式的飞行甲板，飞机起降仍然十分困难。
第二年，通过对邮轮的改造，世界上第一艘具有全通式平直甲板的航空母舰“百眼巨人”号正式诞生，并于9月正式服役于英国皇家海军，尽管也是改造来的，但是它具备了近代航母的基本特征，为以后的航母建造奠定了基础。
1918年，英国开始建造世界上第一艘“纯正血统”的航空母舰——“竞技神”号。同时，日本也于1919年开始建造本国的第一艘航空母舰——“凤翔”号。由于英国工期拖延，凤翔号成为了世界上第一艘正式服役的、真正意义上的航空母舰。同一时期，美国也在1922年3月将一艘运煤船“木星”号改造成本国的第一艘航空母舰“兰利”号。
1922年2月6日由第一次世界大战中的五个主要战胜国美、英、法、意、日在华盛顿签订的关于限制海军军备的条约，即《华盛顿海军条约》，它限制了海军主力舰（战列舰、战列巡洋舰）和航空母舰总吨位的建造，而其他类型的船只，如巡洋舰、驱逐舰和潜艇不属于主力舰，因此其吨位不被计算在内，但其单艘排水量不得超过10000吨。
该条约于1922年2月6日签署，1923年8月17日生效，1936年失效。
在此期间，很多航母多是由货船或战列舰、巡洋舰改装而来，像是美国的列克星敦级，日本的赤城号和加贺号，英国的勇敢级航母都是改造而来。
《华盛顿海军条约》期满失效后，世界列强又展开了新一轮的军备竞赛。这一时期的纯种航空母舰相比于之前改造的，吨位更大，综合性能也更强，也成为了二战前中期各国海军的主要航母力量。像是美国的“约克城”级航空母舰、日本的“翔鹤”级航空母舰、英国的“光辉”级航空母舰都是这一时期的杰作。
受限于当时的海军战略主流思想仍是大舰巨炮主义，各主要海军强国的关注点都在战列舰上。建设航母乃至海军航空兵仍然是非常前卫的思想。直到二战爆发后，海战样式由二维革命性的变成了三维，从军舰对轰变成了舰载机进行超视距作战。可以说舰载机的作战直接改变了海军战略思想，表现出了海战中掌握制空权的重要性，空中力量成为了海上战场的新主宰。航母的重要性日益凸显，并逐渐取代战列舰成为舰队主力核心。
美国在二战时期建造了大批“埃塞克斯”级航空母舰，组成了庞大的航母编队，成为海战的主角。同时，航母也更加大型化，像是“中途岛”级的满载排水量达到了空前的60000吨。可以说，航母在太平洋战场上起到了决定性作用。
航母在二战中初建功勋是在1940年11月11日，英国皇家海军的“光辉”号航空母舰出动了鱼雷轰炸机攻击了意大利海军。
1941年12月7日，日本偷袭珍珠港，共派出了6艘航母、300多架舰载机对港内的美军舰队进行轰炸，这是首次大规模集中使用航母的作战。
1942年5月的珊瑚海海战则是首次航母之间的战斗，双方舰队从始至终都没见过面，完全凭借舰载机进行战斗。6月的中途岛战役则是航母之间的首次大规模会战，这场战役后日本海军失去了开战以来的战略主导权，也奠定了美军最终胜利的基础，成为了太平洋战争的转折点。
1944年6月的马里亚纳海战是历史上规模最大的航空母舰对决，共有24艘航母和1350架舰载机参与战斗。经过这次战役，日本丧失了西太平洋的制海权，舰队主力航母损失惨重，舰载机消耗殆尽，标志着日本的绝对国防圈不复存在。
10月的莱特湾海战则是历史上规模最大的海战，日军与盟军投入的舰船总吨位超过了200万吨，经过此役日本海军的航母被消耗殆尽，日本的航母力量被彻底摧毁。
1945年4月世界最大最强的战列舰“大和”号被美军舰载机围攻沉没则标志着战列舰作为舰队核心的彻底没落。
二战后，尽管因为核武器的出现，航空母舰的地位一度有所下降，但随后爆发的朝鲜战争令航母的重要性又受到了重新评价。
英国研制出了光学助降装置、蒸汽弹射器和斜角飞行甲板等一系列现代航母的配置，美国也结合上述技术建造了第一批专门搭载喷气式飞机的具有现代航母外形的航空母舰——”福莱斯特”级航空母舰。
吨位越来越大，技术越来越复杂，对航母的要求也越来越高。很快，美国便于1956年启动了下一级航母——“小鹰”级的建设。
美国海军小鹰级“星座号”航空母舰
它是世界上排水量最大一级的常规动力航母，也是美国最后一级常规动力航母。期间，美国还在1958年开工了世界上第一艘核动力航空母舰——“企业”号，并于1961年正式服役。
由此美国发现了核动力航母的最大好处——提高续航力。核动力燃料更换一次可连续航行数十万海里，使航空母舰具备了近乎无限的续航能力，并且能节省大量空间来放置更多装备，还消除了常规动力航母的烟囱对飞行作业的影响。然而由于造价过高，“企业”级航母只建造了“企业”号一艘。
随着技术的进步，核动力航母的建造费用也逐年下降，美国决定建造新一级的“尼米兹级”核动力航母并全面取代常规动力航母。首舰“尼米兹”号于1975年服役。在2017年7月第三代核动力航母“福特”级首舰——“福特”号服役前，“尼米兹”级一直保持着世界上威力最大、排水量最大的航母称号，直到目前，尼米兹级航母依然是美国海军的主力。
目前福特级二号舰——“肯尼迪”号已于2019年10月下水，预计2024年服役。三号舰“企业”号和四号舰“米勒”号也都已开工建造。
中国于2011年8月10日完成了对前苏联瓦良格号航空母舰（库兹涅佐夫级，67,000吨））的改装，开始进行海试。
2012年9月，中国宣布改造后的航空母舰命名为“辽宁”号，舷号为16，正式入列。2012年11月，歼-15战机首次成功降落在辽宁号上。
2015年12月31日，中华人民共和国国防部首次证实中国正在自主开展设计和建造第二艘航空母舰。该舰满载排水量约为7万吨级，使用常规动力推进。该舰将搭载歼-15B战斗机以及其它型号舰载机。固定翼舰载机将采用为歼-15优化的12度滑跃起飞。
2019年12月17日下午，中华人民共和国第一艘国产航空母舰“山东”舰在海南三亚某军港交付中国人民解放军海军服役。该舰外形虽然和辽宁舰差不多，但内部结构已完全不一样。舷号为17