Trong thế kỷ vừa qua, đã có nhiều kiểu tàu sân bay được thiết kế, một số chúng hiện đã lỗi thời. Nói chung, chúng có thể được phân loại như sau:

Các thiết kế ban đầu

• Những chiếc Tàu tiếp liệu thủy phi cơ, như HMS Engadine, chuyên mang tủy phi cơ. Chúng đã bị loại không được sử dụng trên chiến trường sau thập niên 1920 khi những tàu sân bay có thể chứa các máy bay quy ước được biên chế vào các hạm đội và ưu thế của các loại máy bay trên mặt đất so với các loại thủy phi cơ trong các chiến dịch hải quân đã rõ ràng.
• Những tàu sân bay tiêu chuẩn, như HMS Ark Royal, giãn nước trong khoảng 20.000 đến 65.000 tấn. Thường được gọi là "những tàu sân bay hạm đội"
• Tàu sân bay chở máy bay; tàu sân bay có thể mang mọi loại máy bay. Gồm cả USS Akron và USS Macon

Những phát triển trong Chiến tranh thế giới thứ hai

• Các tàu sân bay hộ tống, như USS Barnes, chỉ được chế tạo trong Chiến tranh thế giới thứ hai, và được Hải quân hoàng gia Anh và Hải quân Hoa Kỳ sử dụng.
• Các tàu sân bay hạng nhẹ, như USS Independence, được thiết kế để chỉ chở các máy bay chiến đấu.
• Các tàu chở máy bay cải tiến từ tàu hàng, như SS Michael E, tàu chở hàng, có thể phóng máy bay chiến đấu nhưng không thu hồi được. Những tàu này được dùng lúc khẩn cấp trong Chiến tranh thế giới thứ hai.
• Các tàu chở máy bay cải tiến từ tàu buôn (MACs), như MV Empire MacAlpine, một biện pháp khi khẩn cấp khác, lắp thêm đường băng vào các tàu buôn chở hàng.
• Các Tàu chiến chở máy bay được sáng tạo bởi Hải quân Đế quốc Nhật để bù lại một phần tổn thất về hàng không mẫu hạm sau Trận chiến Midway. Hai chiếc trong số chúng được làm từ Thiết giáp hạm lớp Ise vào cuối năm 1943. Những tháp nhỏ ở đuôi tàu bị dời đi và được thay thế bằng một kho chứa máy bay, sàn bay và máy phóng. Tàu tuần dương hạng nặng Mogami cũng được cải tạo kiểu như vậy.
• Các Tàu ngầm chở máy bay, như kiểu Surcouf của Pháp, hay tàu ngầm lớp I-400 của Nhật có thể mang 3 máy bay Aichi M6A Seiran. Chiếc đầu tiên trong số chúng được chế tạo vào thập niên 1920.

Một số tuần dương hạm và tàu chỉ huy thời giữa hai cuộc chiến thường có máy phóng dành cho máy bay trên biển để trinh sát và phát hiện điểm rơi của đạn pháo. Nó được phóng bằng một máy phóng và thu hồi bằng cần cẩu từ trên mặt nước sau khi hạ cánh. Đa số chúng đã bị bỏ đi trong Chiến tranh thế giới thứ hai, nhưng chúng cũng có một số thành công trong thời gian đầu cuộc chiến như chiếc Walrus của HMS Warspite trong các chiến dịch ở vịnh Fio năm 1940.

Những kiểu tàu sân bay hiện nay

• Tàu sân bay tấn công đổ bộ, như USS Tarawa, thường được dùng cho mục đích chở quân đổ bộ và điều khiển một liên đội máy bay trực thăng lớn cho mục đích đó. Chúng cũng được gọi là "tàu chở lính đặc công" hay "tàu chở máy bay trực thăng".
• Các tàu sân bay chống tàu ngầm, như HMS Ocean, cũng được gọi là "tàu chở máy bay trực thăng."
• Các hàng không mẫu hạm cỡ vừa, như chiếc Kuznetsov của Nga hoặc HMS Queen Elizabeth của Anh, giãn nước 40.000 - 70.000 tấn. Được trang bị động cơ chạy dầu hoặc động cơ hạt nhân.
• Các siêu hàng không mẫu hạm, như USS Nimitz, giãn nước 75.000 tấn hay lớn hơn. Được trang bị động cơ bằng các lò phản ứng hạt nhân và là trung tâm của một hạm đội được thiết kế hoạt động xa nhà.

Nhiều tàu chiến hiện đại có khả năng đỗ máy bay trực thăng và các tàu chở máy bay trực thăng là một loại tàu sân bay tấn công đổ bộ kiểu mới.

Về phương thức phóng máy bay, có 3 kiểu chính:

• Kiểu cất cánh thẳng đứng: Kiểu tàu này dùng máy bay hoặc trực thăng có khả năng cất cánh thẳng đứng mà không cần chạy đà. Phương thức này chủ yếu dùng cho các tàu sân bay cỡ nhỏ, vốn có đường băng không đủ dài để máy bay chạy đà khi cất cánh.
• Kiểu phóng nhảy cầu: Mũi tàu sẽ dốc lên một đoạn để tạo đà cho máy bay cất cánh. Kiểu phóng này có ưu điểm là không cần trang bị máy phóng nên tiết kiệm được chi phí đóng tàu, chi phí bảo dưỡng và cũng ít tiêu tốn nhiên liệu, tốc độ phóng máy bay cũng nhanh hơn và bất kỳ lúc nào cũng phóng được máy bay (tàu sân bay dùng máy phóng thì phải đợi nạp năng lượng cho máy phóng sau mỗi lần sử dụng). Nhược điểm của kiểu tàu này là nó không thể phóng được những loại máy bay có tỷ số lực đẩy thấp (ví dụ như máy bay vận tải, máy bay cảnh báo sớm – trinh sát điện tử…). Phương thức này chủ yếu dùng cho các tàu sân bay cỡ vừa chạy bằng động cơ dầu.
• Kiểu máy phóng: Loại tàu này được trang bị máy phóng để tạo đà cho máy bay cất cánh. Ưu và nhược điểm của kiểu phóng này ngược lại với kiểu phóng nhảy cầu. Phương thức này chủ yếu dùng cho các tàu sân bay cỡ lớn chạy bằng động cơ hạt nhân.