航空母舰的历史与飞机历史近乎一样悠久，在莱特兄弟于1903年发明飞机后短短7年，法国人亨利·法布尔制造出了世界上第一种水上飞机，令飞机的起降范围从陆地延伸至海上。
莱特兄弟驾机飞行成功后，美国海军一些人士主张用飞机高空侦察代替舰艇水上侦察，这就需要飞机能在军舰上起降。美国海军物资局局长助理华盛顿·钱伯斯决定对此进行试验。1910年1月，钱伯斯在"伯明翰"号巡洋舰的前甲板上安装了一个长25.3米、宽7.3米的木制起飞平台，打算进行起飞试验。
这需要技术高超的飞行员，他慕名找到莱特兄弟，遭到拒绝后，又找到另一位飞行先驱格伦·柯蒂斯，也没有成功。但柯蒂斯的学生，表演飞行员尤金·伊利代替老师参加了试验。这是人类首次于军舰上起降飞机。
1910年11月，伊利驾驶着他那架曾经创造连续飞行250公里纪录、绰号为"奥尔巴尼飞鸟"的双翼机，开始了起飞试验。起初的飞行并不顺利，飞机刚离开军舰，便向下急降，机轮、螺旋桨几乎碰到水面，伊利沉着冷静，努力将飞机拉起。十几分钟以后，飞机在离军舰2.5海里的海滩上安全降落。
首次起飞的成功，令钱伯斯兴奋不已，但他意识到，这只是成功的一小半，降落才更具挑战性。为此，钱伯斯又在"宾夕法尼亚"号巡洋舰上安装了更长、更宽的飞行平台，并设置了22根两端系有沙袋的拦阻索用于飞机降落。1911年1月，伊利带着第一次成功的自信，从坦福兰机场起飞，直冲停泊在旧金山湾的"宾夕法尼亚"号。当飞机盘旋几圈滑向平台时，轮架下面的挂钩挂住了拦阻索，飞机稳稳地停在军舰上。
飞机在军舰上起降的成功，为人类开辟了通向现代航母的道路。
各国对未来空中力量抱有远见眼光的人士以各种方式促使军方建立海军航空兵，如美国的格伦·柯蒂斯，该人甚至进行了一场公开试验，亲自驾驶飞机投掷武器攻击港内停泊的靶船。然而，受限于当时各国海军的建造配有大口径火炮的“无畏舰”的军备竞赛，建设海军航空兵仍算是非常前卫的思想。
水上飞机母舰，是航空母舰发展最初的一个历史阶段。
美国飞行员尤金·伊利驾驶双翼飞机在军舰上起降成功后，建造能携带飞机的大型水面舰艇就成为各国海军追逐的目标。由于建造用于轮式飞机直接起降的航空母舰难度很大，人们把目光转向建造能够携带水上飞机的母舰。1913年5月，英国率先将"竞技神"号巡洋舰改装为水上飞机母舰。一战时，水上飞机母舰首次登台亮相。
1914年9月，英国海军大臣温斯顿·丘吉尔制定了利用水上飞机轰炸德军飞艇库的计划。可原定起飞的这天，一场突如其来的风暴使执行任务的4架飞机沉入海底。丘吉尔并不甘心，决定采取更大的行动。
他命令"女皇"号、"恩加丹"号和"里维埃拉"号水上飞机母舰各带3架水上飞机，攻击库克斯港的德军基地。圣诞节那天，3艘母舰出发，开到距德国赫尔戈兰岛12海里的海域，将9架飞机吊放入海中。可是，有2架飞机发生故障，成功起飞的只有7架。不久，3架飞机按时返航，可一无所获。其余4架没有按时返航，也不知飞往何处，而母舰长时间等待将面临遭德舰攻击的危险，舰队指挥官决定放弃4架飞机，率母舰撤离。
失去联系的4架飞机其实已飞临库克斯港上空，但由于云层很低，飞行员盘旋多时也找不到目标，只好匆忙投弹。但飞机携带的炸弹太小，落地后并未给德军造成多大破坏。4架飞机返航时，有一架迷航落入海中，其余3架勉强返回起飞地点。可母舰已经没了踪影，幸好遇到一艘英国潜艇，飞行员才得以获救。
此次行动的失败，暴露了这种水上飞机母舰的弱点：水上飞机飞行速度慢，载弹量小，飞机在吊放时受风浪影响大，极易造成飞机故障。于是，包括丘吉尔在内的各国海军*在战争还没有结束时，就开始把目光转向可供轮式飞机直接起降的航空母舰。
虽然水上飞机母舰在一战中战绩寥寥且技术远未成熟，但其代表的全新作战理念却被嗅觉敏锐的各海上强国充分认知。英国海军走在了前列，1912年5月英国成立了世界上第一支海军航空兵。日本、意大利、德国、俄国也随之跟进发展水上飞机母舰。
在代表传统大规模战列舰决战的日德兰海战后，英国人又提出水上侦察机有助战局发展的意见，并要搭配保护它的战斗机。因此，不能再只使用没有飞行甲板、无法供战斗机起飞的水上飞机母舰，必须重新设计另一种新军舰，航空母舰概念呼之欲出。
英国当时的海军总司令戴维·贝蒂下令将勇敢级战列巡洋舰“暴怒号”加装大型飞行甲板、改装成航空母舰，并做了一系列的试验。“暴怒”号的外型犹如巡洋舰与航空母舰的结合体（类似原始的航空巡洋舰），前方多座舰炮炮塔，后方则是长直的甲板，舰载机起飞并不成问题，但降落时会受到上层建筑气流影响而十分危险。
为了解决此一问题，原先另一艘要建造为航空母舰的远洋邮轮“罗索伯爵号”（Conte Rosso）被下令改装去除掉所有上层建筑，变成“全通式”甲板，而后被命名为“百眼巨人号”。
1923年，英国建造了“竞技神号”，其为第一艘专为航空母舰来设计的船舰，拥有许多现代航母的特点：全通式甲板、封闭式舰首以及位于右舷的岛式上层建筑。
在此时期，世界另一边的日本与美国也拥有了航空母舰，前者的第一艘航母凤翔号，是世界上第一艘服役、专为航空母舰来设计的船舰（原因是竞技神号工程进度缓慢，导致较晚开工建造的凤翔号较早下水完成）；
美国的第一艘航母则是由“朱比特号”运煤船改装而成，被命名为“兰利号”，同样拥有全通式甲板。美国海军在兰利号上发展许多新技术，如弹射器、降落指挥官制度、阻拦网等皆是。
各国摸索出航空母舰的基本形式后，于1936年《华盛顿海军条约》期满失效之际，海军列强又展开了新一轮军备竞赛，英、美、日三国接连建造了一系列的主力航母—舰队航空母舰。在舰载机技术上，日本与美国发展蓬勃，反而英国因为军种恶性竞争（海军航空兵的飞机与飞行员皆由英国皇家空军所提供）而发展迟缓，为三者中最落后者。欧洲其他大国，如意大利、苏联受限于海军思想的不同而未有发展航母，前者凭借其地中海位置的优势而认为没有必要特地建造海上的移动机场，后者则因为其内战结束不久、海军力量不强而将其作战范围设限于近海；至于法国的海军航空兵发展迟缓，仍以战列舰和战列巡洋舰为海军主力，仅有一艘改装自战列舰的“贝亚恩号”航空母舰，额外的造舰计划全部中断。
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