O Ark Royal serviu em um dos teatros navais mais agitados da Segunda Guerra Mundial. Ele esteve envolvido nas primeiras mortes aéreas e de u-boots da guerra, em operações na Noruega, na caçada ao Bismarck e nos comboios a Malta. O Ark Royal sobreviveu a vários ataques e ganhou a reputação de "navio de sorte". Os alemães erroneamente relataram seu afundamento em várias ocasiões.

Ele foi torpedeado pelo submarino alemão U-81 em 13 de novembro de 1941 e afundou no dia seguinte. Seu naufrágio foi o assunto de vários inquéritos; os investigadores queriam muito saber como o porta-aviões foi perdido, mesmo com os esforços para salvar a embarcação e rebocá-la para Gibraltar. Eles descobriram várias falhas de projeto que foram corrigidas em porta-aviões britânicos posteriores. Seus destroços foram encontrados em dezembro de 2002, aproximadamente a 56 km de Gibraltar.