החימוש ההגנתי עשה שימוש במכ"ם ואלחוט כדי לרכז ולתאם את האש נגד מטוסים. האוניות צוידו במכ"ם SK לסריקה אווירית ומכ"מים מדגמי SG ו-SC לסריקת שטח. כמה מן האוניות בסדרה צוידו במכ"ם מדגם SM להכוונת מטוסי קרב. באונייה היו שתי יחידות בקרת ירי סימן 37 שצוידו במכ"ם FD סימן 4 ונועדו להכוונת האש של התותחים 5 אינץ', אך הסתבר שאינם מספקים מכיוון שלא ניתן היה להבחין בין מטוסי אויב מנמיכי טוס לבין רעשים שיצרו פני הים. בשל כך הוחלפו יחידות בקרת האש בתוך זמן קצר ביחידות שהיו שילוב של יחידות 12 ו-22. יחידת בקרת האש של התותחים 40 מ"מ הייתה סימן 51 אופטית, עם כוונת ירי משולבת גירוסקופ.
אמצעי פיקוד ושליטה כללו תצוגת מחוון תוכנית מיקומים (Plan Position Indicator), שהראה את מיקומן של כל האוניות בכוח המשימה ואיפשר הפלגה במהירות גבוהה תוך שמירה על פריסה מתוכננת מראש, גם בלילה או במזג אוויר גרוע. עזר ניווט חדש שהותקן באוניות היה עוקב ניווט עיוור, שסייע גם לניווט קבוצת אוניות ולמעקב אחר מיקומן. מכשירי זיהוי עמית-טורף שימשו להבחנה בין אוניות ומטוסים ידידותיים לבין אלה של האויב, במיוחד בלילה ובתנאי מזג אוויר גרוע. מכשירי קשר בארבעה ערוצים בתדר גבוה מאד נועדו גם למנוע אפשרות של ציתות על ידי האויב, ובמקביל איפשרו קשר רדיו סימולטני עם כלי שיט וכלי טיס אחרים בכוח המשימה.
אוניות "ארוכות גוף".
בתחילת 1943 אושר שינוי משמעותי באוניות שהיו באותו שלב בתחילת בנייתן, והוא הארכת גוף האונייה. השינוי כלל את הארכת החרטום בחלק שמעל קו המים לתצורת "קליפר". בדרך זו הורחב מעט שטח הסיפון העליון, הרחבה שנוצלה להתקנת שני תותחי 40 מ"מ בעלי ארבעה קנים כל אחד. כדי לאפשר לתותחים אלה קשת ירי רחבה יותר קוצר מעט סיפון הטיסה. כל האוניות בסדרת אסקס שבנייתן החלה לאחר 1942 נבנו בתצורה זו, למעט האונייה בון הום רישר. יש המתייחסים לאוניות אלה, בעלות התצורה המאורכת, כ"יחידות (בעלות) חרטום מוארך", "קבוצת הגוף המוארך" או "סדרת טיקונדרוגה" (על שם האונייה הראשונה שנבנתה בתצורה זו), אך צי ארצות הברית מעולם לא ראה באוניות אלה קבוצה נפרדת, והשדרוגים שנעשו לאוניות לאחר המלחמה (ראו להלן) התבצעו באוניות משתי התצורות, ללא הבחנה.
בנוסף להארכה, הוטמעו באוניות החל מ-1943 שינויים נוספים שהיו פחות בולטים במבט מבחוץ. אלה כללו מערכות אוורור ומערכות דלק מטוסים בטוחות יותר, העברת מרכז ידיעות הקרב (מי"ק) אל מתחת לסיפון המשוריין, הוספת מעוט שני בסיפון הטיסה, ביטול המעוט שהיה בסיפון ההאנגר והוספת מכוון בקרת ירי סימן 37. כמה מן השינויים הללו נוספו גם לאוניות "קצרות גוף" שהיו לקראת השלמה ולאוניות פעילות כאשר שבו לטיפולים.
למעשה, לכל אורך תקופת בנייתן שולבו באוניות הסדרה שיפורים ושינויים. מספר התותחים נגד מטוסים בקוטר 20 ו-40 מ"מ הוגדל מאוד, הותקנו מערכות מכ"ם חדשות ומשופרות, פרטי מיגון האוניות שונו, ובוצעו עוד מאות שינויים גדולים וקטנים. אוניות שכבר היו פעילות שודרגו באופן מתמשך עם חזרתן למספנות לביצוע תיקונים, שיפוצים וטיפולים שוטפים. כך למשל, האונייה אינטרפיד, שהייתה אחת האוניות הראשונות בסדרה, עברה עד סוף המלחמה סדרה של שדרוגים, שכללו את הסרת המעוט מסיפון ההאנגר והתקנת מעוט שני על סיפון הטיסה, הוספת שלוש מערכות תותחי 40 מ"מ בעלות ארבעה קנים כל אחת מתחת ל"אי", שלוש מערכות תותחים כאלה בצידה השני של האונייה ושתיים נוספות בחלקה האחורי של האונייה, משני הצדדים. נוספו לה 21 תותחי 20 מ"מ, מכ"ם SM להכוונת מטוסי קרב, מכ"ם סימן 12/22 במקום המכ"ם FD סימן 4, והגשר המיועד לאדמירל הוגדל. למעשה, יש הטוענים שעד תום המלחמה לא היו בסדרה שתי אוניות זהות.
שיפורים ושדרוגים לאחר המלחמה.
נושאות המטוסים מסדרת אסקס, יחד עם נושאות המטוסים מסדרת מידוויי, הגדולות יותר, היוו את עמוד השדרה של צי ארצות הברית גם במחצית השנייה של שנות ה-40, במהלך מלחמת קוריאה וגם בשנים שלאחר מכן. כדי שניתן יהיה להפעיל מעל גבי האוניות את מטוסי הסילון הכבדים והמהירים יותר, נדרשו מספר שדרוגים, שכללו התקנת מסיטי הדף סילוני, מערכת הנחיה אופטית לנחיתות, הגדלת קיבולת הדלק הסילוני, חיזוק סיפוני הטיסה, המעליות והמעוטים, והתקנת סיפון טיסה זוויתי. שדרוגים אלה הותקנו ב-15 מן האוניות.
כל האוניות שהיו בעלות גוף קצר הועברו למצב אחסנה במהלך 1946–1947, וכך גם חמש אוניות בעלות גוף ארוך. שמונה מתשע האוניות הנותרות נשארו בשירות פעיל, ויחד עם שלוש הנושאות מסדרת מידווי היוו את עמוד השדרה של הצי בשנים שלאחר המלחמה. הממשל של הנשיא טרומן הורה ב-1949 על העברת שלוש נושאות מטוסים נוספות מסדרת אסקס למצב אחסנה, אך אלה הוחזרו במהירות לשירות פעיל עם פרוץ מלחמת קוריאה. בסופו של דבר כל האוניות קצרות הגוף, למעט שתיים, וכל שלוש עשרה האוניות בעלות הגוף הארוך היו בשירות פעיל בתקופת המלחמה הקרה.
האונייה הראשונה שעברה שדרוג הייתה אוריסקני, שבנייתה לא הושלמה עד תום המלחמה. האונייה הושלמה בין אוגוסט 1948 לספטמבר 1950 תוך הטמעת שינויים ושיפורים שכללו את חיזוק סיפון הטיסה ו"אי" בעל תצורה משופרת. שמונה אוניות קודמות בסדרה שודרגו לתצורה של "אוריסקני" במסגרת תוכנית השיפורים SCB-27A בתחילת שנות ה-50 של המאה ה-20. שש אוניות נוספות, מן המוקדמות יותר בסדרה, עברו שדרוג מצומצם יותר במסגרת תוכנית השדרוגים 27C, שכללה רק חלק מתוכנית SC-27C, בעיקר החלפת המעוט ההידראולי במעוט המונע על ידי קיטור. האונייה אנטיאטם לא עברה שדרוג, אך הייתה הראשונה שבה הותקן סיפון טיסה זוויתי ניסיוני, שהיה בעל זווית של 10.5° מעלות יחס לציר האורך של האונייה. תוכנית השדרוג הבאה, SCB-125, כללה התקנת סיפון טיסה זוויתי וחרטום סגור ("חרטום הוריקן", hurricane bow). תוכנית זו בוצעה במקביל לשדרוג שלוש האוניות האחרות בתוכנית 27C, ובהמשך יושמה בכל האוניות ששודרגו בתוכניות 27A ו-27C, למעט האונייה לייק שאמפליין. האונייה שאנגרי לה הייתה נושאת המטוסים המבצעית הראשונה בצי ארצות הברית שהייתה בעלת סיפון טיסה זוויתי. "אוריסקני", שכאמור הייתה האונייה המשדרגת הראשונה אך האחרונה שבה הותקן סיפון זוויתי עברה תוכנית שדרוג שסומלה SC-125A והביאה אותה לסטנדרט של 27C. השדרוג כלל התקנת מעוטי קיטור והחלפת הסיפון לאלומיניום.
עשרים ושתיים מתוך עשרים וארבע האוניות בסדרה הופעלו במהלך מלחמת קוריאה והמלחמה הקרה. שתי אוניות, באנקר היל ופרנקלין, נפגעו קשות במלחמת העולם ואף על פי ששוקמו לא הוחזרו לשירות פעיל. בשנים הראשונות נשאו כל האוניות כנף התקפית, אך עד 1955 הוסבו שבע מן האוניות לתפקידי לוחמה נגד צוללות, וסימול הסוג שונה ל-CVS. עם כניסתן לשירות של נושאות המטוסים מסדרת פורסטל הוסבו שבע אוניות שעברו את תוכנית השדרוג 27A לשמש בתפקיד לוחמה נגד צוללות, ואילו שבע האוניות המקוריות ששירתו בתפקיד זה, ולא עברו את השדרוג, הוצאו בהדרגה מן השירות החל מסוף שנות ה-50 של המאה ה-20. שתי אוניות ששודרגו בתוכנית 27C הוסבו לסוג CVS ב-1962 (אם כי אחת מהן, אינטרפיד, שסומלה CVS-11, שימשה במהלך מלחמת וייטנאם כנושאת מטוסים התקפית) ושתיים נוספות הוסבו לסוג זה ב-1969. שבע האוניות שעברו את תוכניות השדרוג 27A ו-27C היו בעלות סיפון טיסה זוויתי, ושודרגו לתפקיד הלוחמה נגד צוללות בתוכנית השדרוג SCB-144 בתחילת שנות ה-60 של המאה ה-20, שדרוג שכלל הוספת סונאר מדגם SQS-23 בחרטום. אוניות אלה שימשו במשימות לוחמה נגד צוללות בסוף שנות ה-60 ובמחצית הראשונה של שנות ה-70 של המאה ה-20, והחלו לצאת מהשירות עם כניסת מספר גדל והולך של נושאות על ובשל הזדקנותן. עם זאת, אחת מהאוניות הראשונות בסדרה, לקסינגטון, נותרה בשירות עד 1991 באוניית אימונים. ארבע מן האוניות שעברו שדרוג שומרו כמוזיאונים, והיתר נגרטו החל משנות ה-70. "אוריסקני" הייתה יוצאת דופן בכך שהצי שקל להפעיל אותה מחדש בשנות ה-80 של המאה ה-20, אך בסופו של דבר הוטבעה ב-2006 כדי שתשמש כשונית מלאכותית.
מבין האוניות שלא עברו שדרוג, שלוש אוניות הוסבו לשמש כנושאות מסוקים ללחימה אמפיבית שסומלו LPH (Landing Platform Helicopter). אוניות אלו שירתו במסגרת חיל הנחתים של ארצות הברית ונותרו בשירות פעיל ללא שינויים, עם סיפון טיסה ישר, עד 1970. נושאות המטוסים האחרות הוצאו משירות בסוף שנות ה-50 ובתחילת שנות ה-60 של המאה ה-20, ואז סומלו AVT, אוניות עזר לתובלת מסוקים (Auxiliary Aircraft Transport), וזאת בשל יכולתן המוגבלת מאוד להפעיל מטוסים מודרניים בבטיחות. אונייה אחת שלא עברה שדרוג הוצעה לצי המלכותי האוסטרלי ב-1960, כתחליף לנושאת המטוסים האוסטרלית מלבורן, אך ההצעה נדחתה בשל העלויות הגבוהות שנדרשו כדי להתאים את האונייה לצי המטוסים שהפעיל הצי המלכותי האוסטרלי. כל האוניות שלא עברו שדרוג נגרטו, רובן בשנות ה-70.
התפתחות הכוח האווירי.
כנף אופיינית לנושאת מטוסים מסדרת "אסקס" בשנים 1956–1957 כללה טייסת אחת מכל סוג של המטוסים הבאים: נורת' אמריקן FJ-3 פיורי, מקדונל F2H באנשי, גרומן F-9F קוגר, דאגלס A-1 סקייריידר מדגמי AD-5N, AD-5W ו-AD-6, נורת' אמריקן AJ סאבאג' ומטוסי F9F-8P קוגר לצילום אוויר.