舰载机(carrier-based aircraft)是配备在航空母舰上的主要武器，其性能决定着航空母舰的战斗能力，载机数量越多者实力也相对越强，航空母舰本身也是为了让飞机起降、维修以及使其能长期作战而存在，相较于传统最大攻击距离仅有40公里的战列舰舰炮武器，现代舰载机有着1000公里以上的作战半径，还可以空中加油的方式延长航程，并能在攻击完后回到航母上装载弹药，再度起飞攻击，其作战持续性和任务多样的作战能力也是舰载机与巡航导弹在海战所扮演的角色最大的不同。
1939年，英国剑鱼式鱼雷轰炸机飞越皇家方舟号航空母舰
舰载机按照用途种类可分作轰炸机、反潜机、鱼雷机、攻击机、战斗机、预警机、电战机、直升机和侦察机，其中以攻击机和战斗机为航母舰载兵力的核心组成部分；若以布局和起降方式为依据，舰载机还可分作直升机、传统起降机和垂直起降机。现今大规模战争不再、军费缩减、航母空间有限的背景下为节约成本而让单一舰载机功能多样化，专职的水平、俯冲轰炸机并入攻击机，许多的专职战斗机退役，改以战斗轰炸机与攻击战斗机（Strike Fighter）取代之，专职的舰上鱼雷机与侦察机也从航空母舰上消失。
俄罗斯的Su-33
舰载机由于其特殊而严苛的作战环境，在诸多设计上与陆基飞机截然不同，例如在机身材料选择上，由于要考虑机体长期置于甲板上具有腐蚀性盐雾、污染物和高温辐射等条件复杂的环境，材料必须慎选；在结构上，舰载机由于长期使用着舰钩降落、弹射起飞时极大的纵向过载，其整体强度必须要比陆基飞机更优秀；还有气动技术上必须严格要求低进场速度、高升力、失速控制和迎角飞行能力等等，在航母驶往远方战场进行独立作战时，舰载机兵力难以补充，这些直接影响其存活率的因素格外重要。 6park.com
一架正在美国航母小鹰号上起飞的F/A-18大黄蜂战斗攻击机
舰载战斗机、攻击机
舰载战斗机、攻击机与战斗攻击机是航空母舰的主力，2011年之际服役中的有美国的F/A-18、F/A-18E/F、法国的阵风M、英国海猎鹰II式（意大利、泰国与西班牙也采用该机种）、印度的海猎鹰式、俄罗斯的Su-25、Su-33和巴西的A-4天鹰式。目前英美与其多个盟国正计划装备新一代的F-35联合打击机，该机为第五代战斗机，有着隐身与垂直/短程起降的能力，其C型与B型将分别取代大黄蜂和海猎鹰系列，由于意大利与西班牙亦是潜在买主之一，届时舰载机类型将大幅统一，俄罗斯则预计在未来以米格-29取代现在的Su-33，印度海军也预计采用前者作为新式舰载机。中国海军计划使用的歼-15由乌克兰的T-10K-3试验机（苏-33原型机）发展而成。
在上述现役的舰载机中，海猎鹰式与海猎鹰II式舰载机为垂直起降机，其战斗能力虽较直升机为强，能进行某种程度的空战、反舰、对地攻击行动，但因为必须以垂直/短程起降，在载重量上受到限制，故能搭载的武器和油料一般皆不如传统起降机。
舰载直升机、反潜机、预警机
一架停泊在美国航母珊瑚海号的E-2空中预警机
目前固定翼的预警机仅有E-2空中预警机，由美国与法国航母使用，英国与俄罗斯则为反潜直升机或是垂直起降的猎鹰系列改装型，前者目前计划装备V-22鱼鹰式倾斜旋翼机的预警机型。一般来说，舰载直升机负责反潜、搜索、中程制导、运输和救援的任务，但不足以肩负对敌军战斗机或导弹的拦截行动，远程打击能力也不足，作为预警机的能力也不如固定翼飞机，与陆基直升机相比，舰载直升机有着为了收纳至机库方便，体积更小、重量更轻，旋翼与尾梁皆为折叠式等特点，有些舰载直升机甚至能于水面起降。目前世界各国航母主要就服役5种军用直升机，为美国海军的“SH-60海鹰式”、“SH-3海王式”和俄罗斯“卡-27”。美国海军也有使用固定翼反潜机“S-3维京式”，但由于冷战结束、任务需求量大减，现在多被用于其他任务，如侦查和空中加油