クイーン・エリザベス級航空母艦
CVA-01型の挫折とインヴィンシブル級
第二次世界大戦で、ドイツ海軍のUボートに苦しめられたイギリスは、戦後も対潜航空戦力を重視した。第二次世界大戦中に建造・就役した空母の老朽化に伴い、1960年代にはCVA-01級が計画された。しかし大英帝国の衰退に伴う財政難（英国病）を受けて、当時現用の「イーグル」の排水量（53,060トン）を超えることがないよう強い制約を受けており、また最終的に、予算上の問題を克服できず、1966年にはキャンセルされた。
これにかわって、タイガー級ヘリコプター巡洋艦の後継となる指揮巡洋艦（CCH）の計画がスタートし、ついで全通甲板巡洋艦（TDC）へと発展した。これによって建造されたのがインヴィンシブル級軽空母であり、1980年より順次に3隻が就役した。これらは1982年のフォークランド紛争で活躍し、また湾岸戦争や不朽の自由作戦、イラク戦争でも頻繁に実戦投入されていた。しかし2010年代には相次いで艦齢30年に達し、退役の時期を迎えることが予測されていた。
CVF計画の検討
1980年代より、イギリス海軍ではCTOL機運用も考慮に入れた次世代空母の模索を進めており、1998年の戦略国防概観によって正式に計画がスタートした。当初の計画名はCVSG(R)、まもなくCV(R)に変更され、最終的にCVF (Carrier Vessel Future) となった。
1999年1月25日、ボーイング、ブリティッシュ・エアロスペース、ロッキード・マーティン、マルコーニ・エレクトロニック・システムズ、レイセオン、トムソン－CSFの6社が計画の事前調査に招かれた。このうち実際に応札したのはBAe（1999年11月30日にBAEシステムズに改名）とトムソン-CSF（2000年にタレス・グループに改名）であり、1999年11月23日、国防省防衛調達庁（DPA）と詳細調査の契約を締結した。
この時点では、現用のBAe シーハリアー艦上攻撃機の後継機が決まっていなかったことから、空母の設計も、両社いずれもCATOBARとSTOVLの双方とも対応できるように配慮しており、両論併記方式（twin-track approach）と称された。その後、2002年9月末に艦上機としてF-35Bが選定され、以後はSTOVL案に一本化された。同年11月20日、両グループの最終設計案が提出され、選考は大詰めを迎えた。
2002年末頃よりタレス案の優勢が伝えられるようになった。しかし2003年1月23日に開催されたブレア首相、フーン国防相、ブラウン蔵相、ヒューイット貿易産業相の会議で、イラク戦争への英仏の政治的スタンスの違いや国内造艦産業育成・雇用推進の観点から、タレス社を主契約者とするわけにいかないと確認された。このことから、タレス社の案を採用しつつ、主契約者はBAEとする裏技がこの場で提案され、国防省から両社に打診された。この案は1月30日、議会で発表された。
これを受けて、イギリス国防省とBAEシステムズ、タレスUK社はエアクラフト・キャリア・アライアンス（ACA）コンソーシアムを結成、2005年にはバブコック・マリン社とVTグループも加わった。その後、2008年にVTグループの造船部門がBAEシステムズに売却されたことで、ACAコンソーシアムの構成企業は3社となり、またタレスUK社はイギリスに造船所を持たないことからおおむね設計面の関与にとどまり、実際の建造は主としてバブコック・マリン社とBAEシステムズ社によって行われることとされた。ただしACAコンソーシアムに加盟していなくとも、直接・間接的に関与する企業は多く、元請け（ティア1）の両社から請負契約を受けるティア2、そこから更に下請けを受けるティア3があり、ティア2の企業だけでも計96ヶ所の企業/工場が参加している。
2002年11月に提出された原案（A案）をもとに、コストを低減したB案が2003年9月に作成され、2003年12月には更に改訂されたD案が作成された。2003年11月には1番艦の艦名も「クイーン・エリザベス」と決定しており、2005年後半には、D案をもとに最終案が作成された。
フランスの参入と脱退、イギリスの混乱
当時、フランス海軍ではクレマンソー級航空母艦の運用が終了し、可動空母が原子力空母「シャルル・ド・ゴール」1隻のみとなっていたことから、核燃料交換工事などで同艦が整備に入ると、動かせる空母がなくなることが危惧されていた。このことから、2002年、次期空母（PA2）として建造計画が着手された。この計画に対し、DCNS社は「シャルル・ド・ゴール」の拡大型といえる原子力空母案で応募したのに対し、タレス社は同グループが設計したCVF設計のCATOBAR案をもとにした案で応募した。選考を経て、DCN社にタレス社が協力して設計を進めることになり、2005年6月、CVFのD案をベースにした設計案が提出された。そして2006年1月、英仏両国が共通の設計によって空母を建造する覚書が取り交わされた。これに伴い、フランス海軍の運用要求に準拠して、CVFの設計も一部が修正された。しかし建造方式を巡る英仏の意見の相違や、2012年フランス大統領選挙を受けた大統領交代に伴う方針変更もあって、PA2の建造決定は先送りされ、2012年頃には立ち消えないし無期延期となってしまった。
一方、イギリスでは、2010年2月に「クイーン・エリザベス」が起工されて建造が開始されていた。しかし経費の増大とF-35Bの開発遅延を受けて、計画の修正が検討されることになった。まず艦上機をF-35Cに変更することになったが、既に1番艦の工事がある程度進捗していたことから、2番艦をCATOBAR空母として設計変更することになった。しかし艦上機の発注変更や艦の設計変更などに関わる経費を試算したところ、F-35Bの調達価格上昇より更に高くつくうえに就役時期も大きく遅延することが判明した。このため、2012年5月に再度計画が変更されて、結局、2番艦もF-35Bを搭載するSTOVL空母として建造されることになった。このCATOBAR化検討とSTOVL空母への回帰のために1億ポンドが費やされた。
また財政難を受けて、2隻建造しても、1隻は予備役状態とする案や2番艦をインド海軍に売却する案なども提案され、そのまま2隻ともイギリス海軍が運用できるかどうか疑問が呈されていた時期もあったが、2015年には、2隻ともにイギリス海軍が現役艦として運用することで落ち着いた。
2010年代後半以降、イギリス政府要人が相次いで2020年代の同級のアジア太平洋への派遣を明言している。
船体
上記の検討の結果、本級はSTOVL空母としての設計を採用している。外見的な特徴としてアイランド（艦橋構造物）が航海・作戦用と航空管制用の2つに分割して設置されており、抗堪性を確保すると共に、各アイランドに煙突を配置することで機関から排出される排気の通路を短縮し、給排気系の軽量化と排煙の影響の軽減を達成している。
インヴィンシブル級と比して大幅に大型化しているが、高度な自動化により、艦固有の乗員は600人台で、15名程度の増加に留まっている。飛行甲板下の主船体は9層の甲板から構成されており、各甲板の高さは最小3メートルと、かなりの余裕が確保されている。船首部は大型商船に近いバルバス・バウとされた。またインヴィンシブル級と同様、商船の建造技法が各方面に導入されているほか、構造面ではロイズ軍艦規則（Lloyd's naval ship rules）が広く適用されている。主船体は19の防水区画に区分されている。
格納庫甲板の下方には居住区画がある。470の小区画に区分され、1,600名分の寝台が設定されている。これには海兵隊250名分の居住施設も含まれており、こちらは飛行甲板への連絡も考慮されている。居住区には映画室やフィットネス室が設けられている。中央より後方には調理区画と食堂4室があり、食堂のうち最大のものは、1時間に960名に配食できる。調理配食要員は47名である。またこれらと連続して医療区画があり、病室（8床）と手術室、歯科治療室が設けられている。医療要員は11名である。また船底には弾薬庫が設けられているが、パレット方式の導入によって自動化・省力化が図られている。
本級はブロック工法を採用しており、25個のブロックを7ヶ所の造船所が分担して建造しており、ロサイスのバブコック・マリン社で最終的に組立てられる計画とされた。船体は4つのセクションがポーツマス、ロサイス、バロー、グラスゴーで建造される。バブコック社のロサイスを除き、2008年以降はBAEシステムズとVT グループの合併事業BVT サーフェス・フリートが請け負っている。最終組み立てを行うロサイスの1号乾ドックでは、これに対応した改修工事が行われた。
なお本級は、イギリス海軍史上最大の軍艦となる。このため、ポーツマス海軍基地にもデヴォンポート海軍基地にもあまりにも大型かつ過重な船体を収容できる乾ドックがなく、当面はハーランド・アンド・ウルフなど民間企業が保有するドックを頼らざるを得ず、ドックの拡張や新設は大幅な出費を強いられるという問題を抱えている。
機関
本級は、45型駆逐艦と同様の統合電気推進（IFEP）方式を採用しており、2基のガスタービン発電機と4基のディーゼル発電機が、4基の推進電動機および艦内サービスに電力を供給する。
発電用のガスタービンエンジンには、当初は45型と同型のノースロップ・グラマン/ロールス・ロイス WR-21が検討されたが、出力面の問題から、ロールス・ロイス社製マリン・トレント MT30が採用された。これにより本級は、世界最大のガスタービン推進艦となる。これによって駆動される発電機の電気出力は35 MWeである。なおMT30は、船体内ではなく右舷の張り出し部、アイランドの直下に１基ずつ納められている。ガスタービンエンジンが必要とする大容量の吸排気路、その配置を容易にするためと考えられる。

またディーゼルエンジンとしては、バルチラ16V38（電気出力11.3 MWe）2基とバルチラ12V38（電気出力8.5 MWe）2基が搭載されている。
本級の電気システムには、11 kV・60 Hzの母線が4本あり、1本はバルチラ16V38ディーゼル発電機2基、1本はバルチラ12V38ディーゼル発電機2基、残り2本はそれぞれ1基ずつのMT30ガスタービン発電機と接続されている。MT30と接続された母線の片方は推進電動機2基と接続されている一方、もう片方は推進電動機1基のみと接続されており、巡航タービンとしての性格を持たされているものと見られている。またバルチラ16V38と接続された母線も推進電動機1基と接続されているのに対し、バルチラ12V38と接続された母線は推進電動機とは直接接続されておらず、艦内サービスへの給電を主としているものと見られている。ただし母線間の接続を介して、こちらも推進電動機への給電に用いることもできる。
推進器としては、最初期の原案（A案）ではポッド式のアジマススラスターが検討されていたものの、結局、5翼式の固定ピッチ・プロペラとなった。取付角度を調節できる組立式であり、排水量の経年増加に対応して効率が良いプロペラ・ピッチに適宜調整して使い続けることができる。それぞれの推進軸には、直列に2基ずつの交流誘導電動機が配置されている。これはコンバーチーム社製のAIM（advanced induction motor）電動機であり、同社のVDM25000パルス幅変調コンバータと組み合わされて、インバータによる可変電圧可変周波数制御を受ける。
航空運用機能
当初計画によると、F-35B艦上戦闘機と艦載ヘリコプターをあわせて最大48機の搭載を予定していたが、上記のようにF-35はB型からC型、再度B型に変更されている。艦載ヘリコプターは哨戒型と早期警戒型（シーキング ASaC.7後継）のマーリン HM.2や攻撃型のアパッチ AH Mk 1を予定しているが、V-22の搭載と運用も視野にいれて設計されている。
前後のアイランドの直後に1基ずつ、計2基のエレベーターが設置されている。これはイギリス海軍として初めていずれも舷側式とされており、長さ27.4×幅15.2メートル、力量70トンで、F-35Bを同時に2機昇降できる。格納庫は前方アイランドの直下から後方に、長さ163メートル×幅29メートルが確保された。第2・3甲板の2甲板分の高さを確保しており、大部分ではアメリカ大型空母よりもやや低い7.1メートル高だが、一部では高さ9メートルと、CH-53Eのような大型ヘリコプターも収容可能となっている。標準的な合計搭載機数は約40機、20機を格納庫に収容するとされている。最大で24機を15分で発艦させ、24分で着艦させることができるとされており、ソーティ・レートとしては、24時間にのべ110機、5日間にのべ420機と予測されている。
STOVL空母とされていることから、滑走エリアはインヴィンシブル級と同様、首尾線と平行に設定されており、その先端部、飛行甲板の左舷前部には13度の傾斜をもつスキージャンプ勾配が設けられている。F-35Bはアフターバーナーを備え、排気が高温になることから、スキージャンプから160メートルの位置にブラスト・デフレクターが設けられている。また飛行甲板は左舷側に大きく張り出しており、将来的にアングルド・デッキを設定してCATOBARやSTOBAR方式に対応することも可能と見られている。飛行甲板面積は約13,000平方メートルで、STOVL・ヘリコプター両用の発着スポット5ヶ所とヘリコプター専用の発着スポット1ヶ所が設定されている。
本級にF-35Bが着艦する方法として、垂直降下ではなく斜方降下するSRVL（Shipboard Rolling Vertical Landing）方式が採用されている。
個艦防御機能
主レーダーとして前部アイランド上に1046型（S1850M） 、副レーダーとして後部アイランド上に997型（ARTISAN）と、いずれも3次元レーダーが搭載される。また航空管制用として、SPN-720精測進入レーダーも搭載される。
火器は近接防御用の機関銃に限定されており、ファランクス・ブロック1B 20mmCIWS 3基とDS-30M 30mm単装機銃4基を備えている。また対魚雷用の2170型SSTDも搭載された。