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 và những phát triển giữa hai cuộc chiến

• Những chiếc Tàu tiếp liệu thủy phi cơ, như HMS Engadine, 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, đặc trưng 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 các loại súng. 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 phát triển thời hậu chiến

• 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 siêu hàng không mẫu hạm, như USS Nimitz, đặc trưng 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.