航空母舰战斗群的防空作战，历来强调实施先发制人的攻势防御，如派遣航空兵或发射巡航导弹突袭，将敌方航空兵以及各种导弹摧毁或压制于机场或基地。在组织攻势作战的同时航空母舰战斗群也十分重视防御性防空作战。以美国航空母舰战斗群为例，其对空防御任务由舰载机和防空舰艇共同完成，以两类兵力为主构成大纵深、多层次、立体多维的环形对空防御体系。一般来说，航空母舰战斗群的对空防御体系通常可划分为以下几个防空区域。
第一，远程防空区。该区域可分为远程侦察警戒区和远程截击区。远程侦察警戒区内由舰载远程对空警戒雷达和预警机共同探测，以发现来袭的空中目标。舰载远程对空警戒雷达能够在较远的距离上发现从中、高空来袭的空中目标，如美国海军“阿利·伯克”级驱逐舰的AN/SPY-1D相控阵雷达对中、高空目标发现距离可达400千米以上。不过，AN/SPY-1D雷达对超低空来袭目标探测距离小于50千米。美国是第一个在航空母舰战斗群中使用预警机的国家，现役E-2C “鹰眼”预警机的巡逻高度为7.5~9千米，对大型轰炸机发现距离为460千米，对巡航导弹等小目标发现距离为270千米。如果加上300～400千米的前出距离，E-2C预警机对来袭空中目标的探测纵深达到600~850千米。因此，美国航空母舰战斗群远程侦察警戒区范围包括距离航空母舰400～850千米的纵深区域。
远程截击区是指预警机等发现来袭的空中目标，及时引导舰载战斗机对来袭的飞机或导弹实施拦截作战的行动区域。舰载战斗机通常使用甲板待战出动截击和空中待战出动截击两种方式实施拦截作战行动，使用甲板待战出动截击时兵力使用较为经济，但可截击距离相对较小；使用空中待战出动截击时能够提高反应速度，扩大截击范围，但兵力消耗相对较大。美国航空母舰战斗群的F/A-18战斗/攻击机使用甲板待战出动截击时远程截击纵深为120～375千米，使用空中待战出动截击时战斗机巡逻空域配置在距航空母舰160~400千米的位置上。
第二，中程防空区。该区域主要由航空母舰战斗群内具备“面防御”能力的军舰承担防空任务，这些军舰会拦截、干扰突破远程防空区的敌方飞机和反舰导弹，并给近程防空区的各舰提供目标指示。以美国航空母舰战斗群为例，其中程防空区的防空任务主要由“宙斯盾”军舰负责。单航空母舰战斗群内通常由2~4艘“宙斯盾”军舰承担中程防空任务，“宙斯盾”军舰以扇形或环形配置在航空母舰周围，并前出一定距离，在受敌方空中威协较大的方向上形成连续的对空抗击区域。根据“标准II"防空导弹射程104千米、“宙斯盾”军舰前出16千米来计算，中程防空区的边缘距离航空120 米。
第三，近程防空区。该区域是包括航空母舰自身在内的各型舰艇提供“点防御”的区域，它是航空母舰战斗群最后一道防空区域，其任务是对穿越前两层防空区域数量不多的空袭目标实施火力抗击或电子干扰。如果近程防空区内的防空行动失败，航空母舰战斗群将面临丧失战斗力甚至被消灭的命运。
近程防空区的防御武器主要是航空母舰战斗群内各兵力装备的近程导弹、火炮和电子战设备等。以美国航空母舰战斗群为例，在近程防空区内，首先由普遍装备于航空母舰和各警戒舰艇的近程防空导弹实施对空抗击，其射程为15千米；其次由航空母舰和各警戒舰艇均装备的多座“密集阵”近防系统实施自卫抗击，其射程为3千米，以弥补近程防空导弹的近程死区；最后，由各舰艇以发射箔条干扰弹等方式实施自卫式电子干扰，以最大限度地降低敌导弹的命中概率。从上述近程防空武器的射程看，美国航空母舰战斗群近程防空区通常包括距离航空母舰战斗群外围警戒舰艇15千米以内的整个区域。
