Ponieważ w chwili ich powstania owa taktyka praktycznie nie istniała i niezbyt wiedziano, do czego tak awangardowe jednostki mogą się naprawdę przydać, typ Lexington, podobnie jak jego brytyjskie i japońskie odpowiedniki, otrzymał z początku także uzbrojenie typowo krążownicze pod postacią ośmiu dział kalibru 203 mm. Żaden z owych lotniskowców nigdy nie użył ich w walce, w przypadku US Navy zdemontowano je na początku 1942 roku i zastąpiono działkami przeciwlotniczymi 28 mm (tzw. pianina chicagowskie).

Działka te były już bardziej użyteczne, chociaż jako zawodne ustąpiły z czasem miejsca działkom 20 mm Oerlikona i 40 mm Boforsa. Niemniej USS Lexington już tego nie doczekał. Najważniejszą zmianą, jaka objęła go pod koniec żywota, była wymiana maszyn pokładowych, która zakończyła się przed grudniem 1941, dzięki czemu dysponował w chwili włączenia się USA do wojny względnie nowoczesnymi samolotami, jak TBD Devastator i SBD Dauntless oraz myśliwskimi F2A-3 (czyli Brewster Buffalo), zastąpionymi rychło przez F4F-3 i 3A Wildcat.

Poglądy na przydatność lotniskowców zaczęły się zmieniać pod koniec lat trzydziestych, zaś w 1938 roku Lexington i Saratoga dostarczyły dalszych materiałów do przemyślenia, z powodzeniem atakując podczas ćwiczeń najpierw Hawaje, potem San Francisco. Miało to najpewniej niejaki wpływ na program rozwoju US Navy, który (szczęśliwie dla USA) już w 1940 roku objął pierwsze lotniskowce uderzeniowe typu Essex, od razu w liczbie jedenastu (po przystąpieniu do wojny zatwierdzono fundusze na budowę kolejnych dziewiętnastu, łącznie zaś do służby weszły 24).

Wojna zastała Lexingtona na morzu. 5 grudnia wyszedł z Pearl Harbor z transportem samolotów dla atolu Midway, wracając do bazy dopiero 13 grudnia. Potem wziął udział w nieudanej akcji wsparcia Wake i patrolu w rejonie atolu Kalama, kiedy to maszyny z Lexingtona po raz pierwszy przeprowadziły atak na japoński okręt podwodny. Była też jeszcze próba ataku na Rabaul na Nowej Gwinei (z pierwszym atakiem japońskich samolotów na Lady Lex) oraz szybka modernizacja (wymiana dział 203 mm na pelotki).

W końcu kwietnia grupa lotnicza Lexingtona liczyła 21 Wildcatów, 37 Dauntlessów i 12 Devastatorów. Z nią na pokładzie lotniskowiec został skierowany w pierwszych dniach maja na Morze Koralowe dla przeciwdziałania japońskiemu atakowi na Port Moresby i Tulagi na wschodnich Wyspach Salomona. Opanowanie tych punktów stworzyłoby przeciwkowi korzystne warunki do dalszych ataków w kierunku Australii albo co najmniej izolowania tego kontynentu (i Nowej Zelandii) od Stanów Zjednoczonych. Była to więc operacja o znaczeniu strategicznym.

Siły amerykańskie składały się z dwóch lotniskowców z eskortą krążowników i niszczycieli, japońskie obejmowały dwa duże lotniskowce, jeden lekki, i całkiem spore siły nawodne (także krążowniki i niszczyciele plus wiele jednostek towarzyszących oraz zgrupowanie desantowe). Liczba maszyn pokładowych była wyrównana: było ich odpowiednio 128 i 127, chociaż sama ich jakość oraz poziom wyszkolenia załóg nie były zasadniczo porównywalne. Na korzyść US Navy przemawiało zaś jedno: zaskoczenie.

W tym czasie Amerykanie czytali już japońskie szyfry, dzięki czemu w porę skierowali zespół TF 17 na Morze Koralowe (i krótko później byli w stanie przygotować obronę Midway). W ten sposób doszło do historycznie pierwszej bitwy, w której okręty artyleryjskie nie odegrały żadnej znaczącej roli - oba zgrupowanie wymieniały ciosy wyłącznie za pośrednictwem samolotów pokładowych, krwawo zdobywając doświadczenie, które miało przydać się w późniejszych starciach. Zarówno, gdy chodzi o walkę, jak i pracę służb awaryjnych na pokładach uszkodzonych jednostek.

Pierwszy atak maszyn z USS Lexington i USS Yorktown doprowadził do zatopienia lekkiego lotniskowca Shoho, pierwszej jednostki tej klasy straconej przez Japończyków, których cios poszedł w tym samym czasie niemalże w próżnię, gdyż został omyłkowo wymierzony przeciwko tankowcowi w eskorcie niszczyciela. Jednostki zostały zatopione, niemniej atak na lotniskowce amerykańskie odwlókł się aż do następnego dnia. Oba zespoły zaczęły poszukiwanie głównych sił przeciwnika krótko po godzinie szóstej rano 8 maja 1942 roku. Meldunki o ich odnalezieniu zostały nadane niemal w tym samym czasie, amerykański o 8:20, japoński o 8:22. Odległość między zgrupowaniami nimi wynosiła wówczas 390 kilometrów. O 9:15 zaczęły startować pierwsze samoloty, tak amerykańskie, jak i japońskie. Minąwszy się w powietrzu na przeciwnych kursach, zaatakowały. Trafiony trzykrotnie lotniskowiec Shokaku stracił zdolność do walki, siostrzany Zuikaku nie odniósł żadnych uszkodzeń. W tym samym czasie, krótko po jedenastej, samoloty japońskie atakowały TF 17. Młodszy i bardziej zwrotny Yorktown wywinął się torpedom, i chociaż został trafiony bombami, uszkodzenia te nie były dla niego fatalne. Lexington, trafiony dwoma torpedami i dwoma bombami, także z początku nie przerwał operacji lotniczych. Prawdziwe problemy zaczęły się później, gdy o 12:47 doszło do eksplozji oparów benzyny lotniczej, wydobywających się z uszkodzonych lewoburtowych zbiorników. Następne eksplozje miały miejsce o 14:42 i 15:25. Każda w nich unieruchamiała kolejne systemy okrętu. O 16:00 lotniskowiec znieruchomiał, o 17:07 zarządzono opuszczenie jednostki. Kapitan zszedł z niej ostatni. US Navy poniosła taktyczną porażkę, wygrywając jednak na poziomie strategicznym. Japońska ofensywa została zatrzymana, a co więcej, żaden z dwóch biorących w walce dużych japońskich lotniskowców nie zameldował się miesiąc później pod Midway, jeden z powodu rozległych uszkodzeń, drugi za sprawą strat w grupie lotniczej.

Jednostki eskorty przejęły łącznie 2 770 ludzi, niemniej Lexington jeszcze nie tonął. O 18:00 doszło na nim do kolejnej eksplozji, która wyrwała tylną windę lotniczą oraz zrzuciła wiele stojących wciąż na pokładzie samolotów do morza. W tej sytuacji rozkazano niszczycielowi USS Phelps dobić lotniskowiec torpedami. Zostały one wystrzelone w liczbie pięciu między 19:15 a 19:52. Zaraz po trafieniu ostatniej z nich okręt zaczął zanurzać się w wodzie dziobem, niemniej ostatecznie zatonął niemalże na równej stępce. Liczba ofiar wyniosła 216 osób.