“威爾士親王”號航母的服役儀式，現任威爾士親王“老太子”查爾斯也參加了
研發背景儘管尺寸有限，功能也很侷限，英國之前的三艘“無敵（Invincible）”級航空母艦還是很好地滿足了皇家海軍的作戰需求。但是隨著它們的壽命到期，到上世紀90年代後期，英國開始正式討論它們的接替者問題。英國國防部於1997年開始對可能的未來航母進行一些基本概念研究。
英國海軍上一代“無敵”級航空母艦，最後一艘“皇家橡樹”號在2011年退役
在當時，一個初步的共識是新的航母會比“無敵”級大得多，並且會使用垂直或短距起降（Vertical and/or Short Take-Off and Landing，V/STOL）飛機，儘管也曾經短暫考慮過使用波音F/A-18E/F“超級大黃蜂”，甚至是海軍型“颱風”戰鬥機的常規航母。作戰分析表明，在中等強度的戰鬥中，需要50架飛機來確保戰役勝利，並且可能需要排水量至少達到38000噸的航空母艦。儘管出於財政的要求，英國國防部也確實考慮過對“無敵”級航母進行改裝和艦體加強以延長壽命。但毫不意外的，在1999年得出結論，“無敵”號的船體過於老舊，沒有足夠的寬度來搭載更大的未來飛機。
英國在1998年的《國防評估》中做出了決定，承諾皇家海軍將擁有“兩艘（排水量）40000噸的航空母艦，每艘最多可容納50架固定翼飛機和直升機組合的艦載機。首架飛機的服役日期為2012年”。建造“未來航空母艦（Future Aircraft Carrier）”的專案於1999年1月正式啟動。在專案啟動之初，英國海軍提出了未來航空母艦需要滿足的九個關鍵使用者要求（Key User Requirements，KUR ）：
互操作性Interoperability——能夠促進多軍種和國際聯合作戰整合Integration——能夠與聯合戰場整合，並通過指揮，控制，通訊和情報功能支援空中部隊作戰完備率Availability——能夠始終具有一艘航空母艦可以隨時出動或投入作戰可部署性Deployability——能夠在全球範圍內部署可持續性Sustainability——能夠實現持續作戰飛機Aircraft——能夠在沒有東道國支援的情況下部署進攻性空中力量生存能力Survivability——受傷後的生存力很高靈活性Flexibility——能夠部署各種型號和能力的飛機多用途Versatility——可以扮演不同的角色執行廣泛的任務“威爾士親王”號航空母艦海試照片
設計方案競爭新航母的方案評估階段始於1999年底，最初授予了由英國宇航公司（British areospace），現為BAE系統公司（BAE Systems），和湯姆森-CSF（Thomson-CSF），現為泰勒斯集團（Thales），領導的兩個團隊各590萬英鎊的“方案選擇分析”合同。隨後在2001年7月，兩個團隊又獲得了第二份價值3000萬英鎊為期一年的的方案評估階段合同。
除了需要滿足KUR之外，英國國防部賦予了工業界極大的創造性和創新性空間，唯一的例外可能是，該航母必須在英國建造，最多可搭載48架飛機，必須是單艦體且使用常規動力。財政上的負擔能力顯然是一個主要考慮因素，整個航母的生命週期費用應得到高度重視。由於船員是船舶交付後使用成本的主要因素，國防部建議將目標的船員人數定在600人左右。兩個競爭團隊都對這一點都給予了極大的關注，最終導致新航母對於船員數量的需求遠低於之前的航母。這也是整個新航母專案的一項重大成就。
在方案論證早期曾經研究過的不同起降方式下的飛行甲板佈局方案（紅色艦島，藍色飛機升降機）
在方案評估階段，總共研究了三種可能的配置：傳統的“彈射輔助起飛+攔阻降落（Catapult Assistant Take-Off and Barrier Arrested Recovery，CATOBAR，俗稱“貓和陷阱”）”，“短距起飛+攔阻降落（Short Take-Off and Barrier Arrested Recovery，STOBAR）”和“短距離起飛+垂直降落（Short Take-Off and Vertical Landing，STOVL）”選項。在2000年曾短暫地考慮過一種混合了CATOBAR和STOVL起降方式的航母作為第四個選擇，但由於成本太高而很快就被淘汰。
到2001年，已經很明確英國將參與美國的“F-35聯合攻擊戰鬥機（Joint Strike Fighter，JSF）”專案，並且淘汰了STOBAR方案。最初的規範要求新航母能夠在一晝夜（24小時內）起飛150架固定翼飛機。但到2002年末，這一數字已減少到110架。另外BAE系統的研究表明，和STOVL方案相比，採用CATOBAR設計的航母排水量至少需要大10000噸。
英國是“聯合打擊戰鬥機”專案唯一的一級合作伙伴
2002年9月，英國海軍確認了新航母的設計必須是一種“適應變化的航空母艦（Adaptable Carrier）”，即當航母服役的時候，採用STOVL設計配備了滑跳起飛裝置；如果將來有需要，可以為航母安裝彈射器和阻攔索。當時，新航母的排水量已增至60000噸。時任第一海務大臣，海軍上將邁克爾·博伊斯（Michael Boyce）爵士表示，皇家海軍的研究結論是，就每噸排水量的平均成本而言，建造更大的船舶更便宜，維護成本也更低。他的格言“空氣是免費的，鋼材是便宜的”被廣泛引用，並與作戰艦隻大型化的全球趨勢保持一致。20世紀60年代在為後來取消的CVA-01航母專案所做的工作種發現，將航母的噸位從40000噸增加到50000噸，成本增加10％，但空中作戰能力增加50％。而“未來航空母艦”專案的設計人員在2001年通過一個相反的研究得出了類似的結論：如果兩艘航母的成本砍掉25％，從40億英鎊降低至30億英鎊，將導致艦載機的出動率降低50％。一艘尺寸更大的船舶能夠更好地滿足艦載機出動量，未來改裝成CATOBAR方案，舒適的住宿標準以及在緊急情況下在艦上搭載額外人員和飛機的要求。較大的船舶將來也更容易升級，這是一艘計劃壽命長達50年的船舶需要考慮的主要因素。
BAE系統在2002年給出的一種“未來航空母艦”設計方案。這是常規起降方案，大家注意艦島形狀和底升降機
任何航空母艦設計的主要因素是機庫的大小和佈局。在JSF專案尚未成熟的情況下，初始設計假設機庫可以容納26架翼展約12米的飛機。船舶的寬度對於海上航行和穩定性至關重要，也限制了機庫的尺寸大小。未來可能進行的CATOBAR改裝還需要在飛行甲板下方和機庫上方保留一個額外的甲板，可以安裝彈射器和攔阻裝置。機庫必須以最適合飛機運動的方式與飛機和武器升降機互動。為了防護能力的最大化，武器彈藥庫及其使用的彈藥升降機位於全艦的中部深處，是設計中需要最早確認的設施之一。“未來航空母艦”較大的尺寸，使它可以將飛機升降機安裝在甲板邊緣。這種型別的升降機具有許多優點，如比內部升降機容量更大。但是，如果使用它的航母尺寸過小的話，很容易在高海況下受損。
從方案A到方案D2002年12月，泰勒斯/BMT（British Maritime Technology，英國海事技術公司）團隊的A方案被專案整合團隊（Integrated Project Team，IPT）選為首選設計，戰勝了一直被認為會取勝的BAE系統方案。與BAE系統的設計相比，A方案被認為更具創新性和技術成熟度，採用較簡單的主船體形狀，並帶有大型船舷艙室，飛行甲板寬度達到了70米。它不像BAE系統提案中的喇叭形船體那樣隱身，但“低可探測性”不是“未來航空母艦”的關鍵性要求。
BAE系統擁有一個帶跨廊的艦島設計，擁有3臺小型飛機升降機，其中一臺奇怪地出現在艦島中央、跨廊的下方。它還在航母的四個角上都配備了一個“海拉姆”近程導彈防禦系統。而A方案則採用了具有許多優勢的雙艦島設計。它擁有兩臺大型飛機升降機，一個較大的機庫和外接式大功率全迴轉Azimuth推進裝置。後者是被認為從最現代的大型郵輪上借鑑來的“先進航空母艦”創新。A方案還擁有可以發射“紫菀（Aster）”防空導彈的垂直髮射系統單元，3000噸的裝甲防護和很高的生存能力標準。
不幸的是，在2003年年中，英國人發現A方案雖然出色，但是一個他們無法承受的“黃金標準”選擇。於是又重新設計了一個尺寸縮小的，剝離了不成熟技術的“最小可行技術設計”，即排水量為55000噸的B方案。外接式大功率全迴轉Azimuth推進裝置被刪除，因為它們被普遍認為不能滿足海軍的抗爆震要求和戰艦噪聲標準。A方案中的全自動武器處理系統被價格更便宜，半手動的高度自動化系統所取代，而自衛措施被削減到僅包括“軟殺傷”能力，只確保“適合安裝”但不“預先安裝”近程自衛武器。
儘管，B方案據稱可以節省約2億英鎊的建造成本，但國防採購局海洋技術組（Sea Technology Group，STG）迅速確定新設計不能滿足損管控制和穩定性標準。為了滿足上述要求，開發了具有更多內部水密隔艙的C方案。該方案和B方案的主要引數類似，增加了艙壁的厚度，動力系統被安排在兩個分離的艙室中，取消了艦艏輔助推進器，代價是進一步減少了內部空間。
C方案是在B方案基礎上的小改進，增加了更多的安全考量，以提高生存力
最終，人們認識到保守的B方案和C方案增加了技術風險和建造的複雜性。於是，海軍通過抗辯，成功地為自己爭取到了少量預算增加，以建造稍大一點的艦船。結果就誕生了被QEC最終採納的排水量65000噸的D方案。
在第三階段的評估中，新成立的航空母艦聯盟（Aircraft Carrier Alliance，ACA）對設計進行了進一步改進。但是該專案隨之進入了一個因為政治因素導致反覆延遲，猶豫不決和企圖控制成本的動盪時期。直到2005年12月，用於技術演示階段，即詳細設計階段，的資金才獲得批准。
“伊麗莎白女王”級航空母艦最終採納的D方案
在2005年，BMT宣佈它已經測試了4種不同的“未來航空母艦”船體模型，並對每一種的推進效率，機動性，適航性和噪聲特徵進行了評估。它還研究了呆木長度，船舵尺寸，船尾壓浪板和球狀船首的設計。D型方案的基本概念經過了許多進一步的迭代和發展，直到2006年底該設計被認為已經足夠成熟，可以在預先訂購長期物料之前草擬詳細的成本估算。複雜的撥款過程和行業爭論極大地阻撓了專案的進展，但最終英國政府在2007年7月25日訂購了兩艘“伊麗莎白女王”級航空母艦。
“伊麗莎白女王”級的最終設計新的“伊麗莎白女王”級航空母艦將是新的勞埃德海軍艦艇規範的混合體，在可能的情況下最大限度地利用了商用現貨（Commercial Off-The-Shelf， COTS）裝置，同時在許多關鍵區域均按國防標準建造。但是，“未來航空母艦”專案的設計原理與廉價建造的“大洋”號（HMS Ocean）兩棲攻擊艦/直升機母艦完全不同，它具有更高的生存能力標準，並且避免了過分依賴於不能滿足海軍嚴格要求的商業裝置。
“伊麗莎白女王”號航空母艦擁有16000平方米的大型飛行甲板。該飛行甲板佈局靈活，針對單條跑道和單個滑躍起飛跳臺情況下的最佳飛機滑行路線進行了優化。該艦的機庫佔地4727平方米，高約6.13米，最多可以容納約20架F-35戰鬥機或更大數量的直升機。算上飛行甲板滿載情況下可以搭載45架F-35，在極限情況下，整個“伊麗莎白女王”級航母可以攜帶65架F-35出航，儘管規範中要求的戰時最大固定翼戰機攜帶量為36架。
“伊麗莎白女王”級航母目前沒有彈射器，預留的大型通道甲板可以被用於航空部隊辦公室，飛機備件倉庫和機組人員休息消遣區域。選擇體量較大的船體，允許“伊麗莎白女王”級航母在其計劃的50年使用壽命期間為升級安裝增加額外/新裝置留出16%的裕量空間。如果該艦在今後被改裝成常規起降航母，它的排水量將大大增加，大部分重量會是船底的壓艙物，以抵消船體上部的重量增加。
2009年，“伊麗莎白女王”號開工時的設計圖，相對D方案外部有一些小改動，比如走道、天線位置和船錨
該船採用整合式電力推進（Integrated Electric Propulsion，IEP）設計，四臺電動機以常規方式驅動雙根驅動軸。兩臺燃氣輪機和四臺柴油機為推進系統，電子裝置和艦上搭載的裝備提供動力，併為將來的需求預留了大量的額外功率餘量。全船還儘可能地使用自動化，特別是武器和貨物搬運，以減少對於船員的需求。現代化的廢物處理裝置被安裝在船上，以使船舶儘可能地環保。
今年，“伊麗莎白女王”號航母在美國東海岸和美國海軍陸戰隊以及自家的F-35B進行了大量的訓練