艦載機由于其特殊而嚴苛的作戰環境，在諸多設計上與陸基飛機截然不同。

例如在機身材料選擇上，由于要考慮機體長期置于具有腐蝕性鹽霧、污染物和高溫輻射等條件復雜的環境，材料必須慎選；在結構上，艦載機由于長期使用著艦鉤降落、彈射起飛時極大的縱向過載，其整體強度必須要比陸基飛機更優秀；還有氣動技術上必須嚴格要求低進場速度、高升力、失速控制和迎角飛行能力等等。

在航母駛往遠方戰場進行獨立作戰時，艦載機兵力難以補充，這些直接影響其存活率的因素格外重要。

F-35聯合戰斗機，為英美等多國海軍預計將使用的新一代艦載機。

艦載戰斗機、攻擊機與戰斗攻擊機是航空母艦的主力，2011年之際服役中的有美國的F/A-18、F/A-18E/F、法國的陣風M、英國海獵鷹II（意大利、泰國與西班牙也采用該型）、印度的海獵鷹、俄羅斯的Su-25、Su-33和巴西的A-4天鷹。

英美與其多個盟國計劃裝備新一代的F-35聯合攻擊戰斗機，該型號在世代上屬于第四代戰斗機，有著隱身與垂直/短程起降的能力，其C型與B型將分別取代大黃蜂和海獵鷹系列，由于意大利與西班牙亦是潛在買主之一，屆時艦載機類型將大幅統一，俄羅斯則預計在未來用米格-29取代Su-33，印度海軍也預計采用前者作為新型艦載機。

中國海軍的殲-15由中國從烏克蘭購得的T-10K-3試驗機（蘇-33原型機）發展而成，將部署到瓦良格號航空母艦以及未來中國國產航空母艦上。

在上述現役的艦載機中，海獵鷹與海獵鷹II艦載機為垂直起降飛機，其戰斗力雖然強于直升機，能進行某種程度的空戰、反艦、對地攻擊行動，但因為必須以垂直/短程起降，在載重量上受到限制，故能搭載的武器和油料一般比不上傳統起降飛機。

服役中的艦載預警機僅有美國的E-2“鷹眼”，在美國與法國的航母上使用，英國與俄羅斯則為反潛直升機或是垂直起降的獵鷹系列改裝型，前者計劃裝備V-22“魚鷹”傾轉旋翼機的預警型。

一般來說，艦載直升機負責反潛、搜索、中程制導、運輸和救援等任務，但不足以肩負對敵軍戰斗機或導彈的攔截行動，遠程打擊能力也不足，作為預警機的能力也不如固定翼飛機。

與陸基直升機相比，艦載直升機為了更方便地收納至機庫，具有體積更小、重量更輕，旋翼與尾梁皆為折疊設計等特點，有些艦載直升機甚至能于水面起降。

世界各國航母現役的艦載直升機有美國海軍的“SH-60海鷹”、“SH-3海王”和俄羅斯“卡-27”等。美國海軍也有使用S-3維京反潛機，但由于冷戰結束、任務需求量大減，多被用于其他任務，如偵察和空中加油。

大部分現代航母的武裝除了艦載機就只有保護自身最低限度的武器，包括各種防空導彈、近程防御武器系統以及電子戰武器設施。

之所以發展至如此，其肇因于航母角色的轉換與雷達設備的進步。啟蒙時期時，航母艦載機的對艦打擊能力還在不明了的狀態，定位為海上為戰列艦偵查的工具。

這樣一來就無須太在乎甲板設計會影響到艦載機數量的問題。另外，由于當時艦載雷達尚未出現，航母會在無意間進入敵艦射程范圍內，為了進行反擊，航母上會配裝艦炮。二戰期間，艦載雷達蓬勃發展，航母可有效避開敵艦的突襲，加上艦載機的攻擊能力已得到了證明，航空母艦本身就不需要防空火炮以外的武器，中大口徑艦炮隨即消失。

爾后飛機進入噴氣超音速時代后，傳統防空炮根本無法應付，因此美國曾計劃將防空任務全交由艦載機負責。

艦載機是航空母艦最好的進攻和防御武器，從理論上說，沒有一種艦載雷達的掃描范圍能超過預警機，沒有一種艦載反艦導彈的射程能超過戰斗機的航程，沒有任何一種艦載反潛設備的反潛能力能超過反潛機或反潛直升機。整個航空母艦戰斗群可以在航母的整體控制指揮下，對數百公里外的敵對目標實施搜索、追蹤、鎖定、攻擊，所以無需再安裝其它進攻性武器。

航空母艦上也裝備自衛武器，有導彈、火炮等。蘇聯的航母還裝備有遠程反艦導彈，從這一點來說蘇聯的航母是“航母與巡洋艦的混合體”，它的武器裝備還有對空、對艦甚至反潛導彈，自衛武器毫不含糊，對自身的防御起了很大作用。

到了1980年代，由于蘇聯海軍強化了反艦導彈打擊能力，發展了自潛艇、飛機與水面艦等多平臺發射大量反艦導彈進行飽和性攻擊，這種戰法極可能突破由艦載戰斗機與護衛艦艇組成的空中防護網，因此航母本身還是配備了防空導彈、近戰武器以及電子戰武器來確保自身的安全，若是傳統動力航母還可發射熱焰彈來閃避紅外線制導的導彈。

以美國尼米茲級航母為例，即裝有射程約50千米的進化海麻雀導彈、射程26千米的海麻雀導彈、射程9.6千米的RIM-116滾體導彈、射程4.5千米的20毫米密集陣近防系統，還有干擾敵人雷達的反電戰裝置（ECM，例如SRBOC干擾絲發射系統）。

蘇聯與俄羅斯航母算是個例外，由于其海軍艦隊防空網強度不足以及該國重視單艦作戰能力，“基輔”級與“庫茲涅佐夫”級艦本身火力比西方各國航母強上許多，包括反潛火箭、反艦導彈、防空導彈以及近迫防御武器。

意大利的“加里波底”號也有類似的武裝，后者也是唯一一種可以發射魚雷的航空母艦。另外，該國的“加富爾”號、法國的“戴高樂”號還有著垂直發射的防空導彈，反應時間比“尼米茲”級者更短。

除了各類武器，航母上亦有完善的消防系統，使用了許多防火、防沉設計，并以甲板和機庫為重點防御部位，大大提高了航母在作戰條件下的生存力。