Thiết giáp hạm Pennsylvania đang dẫn trước thiết giáp hạm Colorado và các tàu tuần dương Louisville, Portland và Columbia tiến vào vịnh Lingayen tại Philippines, tháng 1 năm 1945

Thiết giáp hạm Đức Schleswig-Holstein, một chiếc tiền-dreadnough lạc hậu, đã bắn những phát súng đầu tiên của Chiến tranh Thế giới thứ hai khi nã pháo xuống trận địa của Ba Lan tại Westerplatte;[54] và cuộc đầu hàng cuối cùng là của Đế quốc Nhật Bản diễn ra trên một thiết giáp hạm của Hải quân Hoa Kỳ, chiếc Missouri. Giữa hai sự kiện ấy, rõ ràng là tàu sân bay đã trở thành tàu chiến chủ yếu của hạm đội và vai trò của thiết giáp hạm giờ đây chỉ là hạng hai.

Thiết giáp hạm cũng đóng góp phần mình trong các trận chiến chính tại các chiến trường Đại Tây Dương, Thái Bình Dương và Địa Trung Hải. Tại Đại Tây Dương, Đức sử dụng các thiết giáp hạm của mình như những tàu săn tàu buôn độc lập. Tuy nhiên, sự đối đầu giữa các thiết giáp hạm ít có tầm quan trọng chiến lược. Trận Đại Tây Dương là cuộc đối đầu giữa tàu khu trục và tàu ngầm, còn kết quả của đa số các cuộc đối đầu hạm đội chủ yếu trong chiến tranh tại Thái Bình Dương đều do tàu sân bay quyết định.[cần dẫn nguồn]

Trong năm đầu tiên của chiến tranh, các tàu chiến bọc thép đã thách thức những lời tiên đoán rằng máy bay sẽ làm bá chủ các cuộc hải chiến. Các tàu chiến Đức Scharnhorst và Gneisenau đã bất ngờ đánh chặn và đánh chìm tàu sân bay Glorious ngoài khơi bờ biển phía Tây Na Uy vào tháng 6 năm 1940.[55] Trận chiến này đánh dấu lần cuối cùng một tàu sân bay hạm đội bị đánh chìm bởi hải pháo của lực lượng tàu nổi. Trong cuộc tấn công Mers-el-Kébir, thiết giáp hạm Anh đã khai hỏa vào các thiết giáp hạm Pháp đang trong cảng Algier bằng chính các khẩu pháo hạng nặng của chúng, rồi sau đó truy đuổi các tàu Pháp đang tháo chạy bằng máy bay từ các tàu sân bay.

Những năm tiếp theo của cuộc chiến chứng kiến nhiều thể hiện cho sự trưởng thành của tàu sân bay như một vũ khí hải quân chiến lược và tiềm năng chống lại các thiết giáp hạm. Người Anh tổ chức không kích vào căn cứ hải quân Ý tại Taranto đánh chìm một thiết giáp hạm Ý và làm hư hại hai chiếc khác. Cũng những chiếc máy bay ném ngư lôi Swordfish đó đã đóng vai trò quyết định trong việc đánh chìm chiếc thiết giáp hạm săn tàu buôn Đức Bismarck.

Thiết giáp hạm Yamato (1940) của Hải quân Đế quốc Nhật Bản, như được thấy vào năm 1941, cùng con tàu chị em Musashi (1940) là những thiết giáp hạm lớn nhất trong lịch sử.

Ngày 7 tháng 12 năm 1941, Nhật Bản tung ra cuộc tấn công bất ngờ vào Trân Châu Cảng. Chỉ trong một thời gian ngắn năm trong số tám thiết giáp hạm Mỹ hiện diện tại đây bị đánh đắm và số còn lại bị hư hại. Các tàu sân bay Mỹ đều ra khơi vào lúc đó và không bị phát hiện. Đến lượt chúng đảm trách gánh nặng của chiến tranh và sau đó làm đổi chiều chiến cuộc tại mặt trận Thái Bình Dương. Việc đánh chìm thiết giáp hạm Anh HMS Prince of Wales cùng chiếc tàu chiến-tuần dương HMS Repulse hộ tống cho nó đã thể hiện sự mong manh của thiết giáp hạm ngoài biển khơi đối với các cuộc không kích mà không có được sự bảo vệ trên không thích đáng, cuối cùng cũng làm lắng xuống cuộc tranh luận mà Mitchell khởi xướng từ năm 1921. Cả hai chiếc tàu chiến đang trên đường đối đầu cùng lực lượng đổ bộ Nhật Bản đang tấn công Mã Lai khi chúng bị các máy bay ném bom và máy bay ném ngư lôi xuất phát từ đất liền đánh chặn vào ngày 10 tháng 12 năm 1941.[56]

Trong những trận chiến lớn vào giai đoạn đầu tại Thái Bình Dương, như tại biển Coral và Midway, thiết giáp hạm thường vắng mặt hay bị che lấp khi các tàu sân bay tung máy bay ra hết đợt này đến đợt khác ở khoảng cách hàng trăm dặm. Trong những trận chiến sau đó tại Thái Bình Dương, thiết giáp hạm chủ yếu thực hiện bắn phá bờ biển hỗ trợ cho các cuộc đổ bộ và cung cấp việc bảo vệ phòng không như tàu hộ tống cho tàu sân bay. Ngay cả những chiếc thiết giáp hạm lớn nhất từng được chế tạo, lớp Yamato của Nhật, vốn mang một dàn pháo chính gồm chín khẩu 460 mm (18,1 inch) và được thiết kế như một vũ khí chiến lược chính yếu, chưa bao giờ có cơ hội để chứng tỏ tiềm năng của chúng trong một trận hải chiến quyết định như được mô tả trong kế hoạch của Nhật trước chiến tranh.[57]

Cuộc đối đầu cuối cùng giữa các thiết giáp hạm trong lịch sử là trận chiến eo biển Surigao[cần dẫn nguồn], vào ngày 25 tháng 10 năm 1944, trong đó chiến thuật "cắt ngang chữ T" cổ điển được sử dụng lần cuối cùng, cho phép lực lượng thiết giáp hạm vượt trội của Mỹ đánh tan nát nhóm thiết giáp hạm Nhật yếu thế hơn bằng hỏa lực tập trung do radar hướng dẫn. Tuy nhiên, phải nói rằng các đợt tấn công ngư lôi trước đó của các tàu khu trục Mỹ đã làm suy yếu đáng kể lực lượng Nhật, và số còn lại thiếu khả năng hướng dẫn hỏa lực bằng radar. Tất cả các thiết giáp hạm Mỹ có mặt trong trận này, ngoại trừ một chiếc, đều từng bị đánh chìm hay hư hại nặng trong trận Trân Châu Cảng và sau đó được cho nổi lên và sửa chữa. Mississippi đã bắn loạt pháo cuối cùng trong trận này, cũng là loạt pháo hạng nặng cuối cùng trong lịch sử nhắm vào một thiết giáp hạm khác, kết thúc một kỷ nguyên thiết giáp hạm trong lịch sử hải chiến trên mặt biển.