1898年，后来担任美国总统的美海军部次长罗斯福接受了史密森学院教授塞姆尔·P·兰利的建议，决定将载人气球用于海上作战。这一设想竟没有得到海军部的其他领导人的认可，他们认为，载人气球的作战用途只能限于陆地而决不可能与军舰有缘，从而不给予资助和配合。而美国陆军部也同样以兰利教授的一次试验失败作为借口，拒绝合作，从而使兰利教授的飞行试验最终流产。
1903年12月17日，自行车修理工莱特兄弟乘着他们发明的世界上第一架飞机，作了史诗般的飞行表演，完成了美国首次飞行器载人飞行。1908年，在罗斯福总统的敦促下，陆军部开始对莱特式飞机进行改进，以使它尽快成为军用设备。
正当大多数人认为飞机是陆战兵器的时候，一个独具慧眼的法国人克莱门特·艾德尔于1909年在他的一部名为《军事飞行》的著作中，提到了在军舰上驾驶飞机的必要条件。他认为，飞机在军舰上起降需要一个宽敞平坦的起降甲板、甲板升降机、岛式上层建筑、机库。同时，他还认为在军舰上降落飞机就要求军舰本身具备一定的高速度。不过，克莱门特·艾德尔的理论在他的祖国没有受到重视。正因如此，法国人的舰上飞行，比对飞行有极大兴趣的美国人及拥有世界上第一流海军的英国人整整落后了10年！
其实，在克莱门特·艾德尔的《军事飞行》发表前的1908年，美国海军中已有一些标新立异的人提出让飞机从一艘战列舰上飞行的设想，但由于这些人仅仅是说说而已，并没有准备尝试，倒是之后的一篇报道引起了美国人的警觉，促使美国人加快了飞机参与海战的试验。
这篇报道说的是这样一件事：德国人正研究试验，准备让一架携带邮件的飞机从航行在汉堡一美国航线上的一艘德国邮船的前甲板平台起飞，以加快向纽约投递邮件的速度。此消息一在报纸上刊出，美国人当即敏感地猜想：德国当局是不是以邮政作掩护，正在试验一项攻击美国的新技术？美国当局当即任命海军物资局局长助理华盛顿·欧文·钱伯斯海军上校为军舰上起飞试验的总负责人。
尽管钱伯斯被任命为试验的负责人，但美国海军部却没有钱资助钱伯斯进行试验。面对困难，钱伯斯没有灰心，他设法动员了对航空事业颇有兴趣的政治活动家、出版商约翰·巴里·瑞安投资。之后，钱伯斯又去说服了飞行设计师格伦·H·柯蒂斯和他雇用的民间飞行员尤金·伊利，得到了他们的帮助。
1910年1月9日，起飞试验小组在美新型巡洋舰“伯明翰”号的前甲板上方竖起了一个向前倾斜的平台，其他工作也准备就绪，并决定于11月14日在汉普顿锚地试飞。这一决定公布之后，《世界报》发表了一则令人惊奇的消息。原来，为了敲打美国海军，加快舰载飞机试验的进展，《世界报》决定支持一位名叫J麦克迪的飞行员于11月12日在“宾夕法尼亚”号邮船上做起飞试验。非常遗憾的是，麦克迪在起动引擎时，不慎打坏了桨叶，从而使试验流产了。
尽管《世界报》所组织的试验未能获得成功，但它却刺激起尤金·伊利的好胜心。1910年11月14日，“伯明翰”号按规定停泊在汉普顿锚地，远远看去，舰前甲板上方的长253米，宽73米的木质飞行跑道惹人注目。一架待飞的单人双翼飞机正迎风而立。
飞机顺利地发动了，随着螺旋桨的越转越快，机身迅速地向前滑去。由于舰上可供飞机滑跑的距离实在太短，使得飞机在脱离甲板的一瞬间，仍未达到起飞速度，速度不够，机翼带来的升力自然不足。只见飞机在滑完26米的跑道后，机头直往下扎，而且驾驶员同指挥台的通讯联系也不知因何中断了。人们惊呆了，以为一场惨剧将不可避免地发生。眼看就要机毁人亡的时候，沉着的伊利巧妙地操纵起飞机的尾水平舵，终于使飞机在即将闯入海面触水而机毁人亡的瞬间昂起了机头，紧贴着水面蹒跚地飞行了几千米，并在海滩旁的一排小木屋附近安全着陆。
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96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1105万吨，满载排水量147万吨，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。
