1940年11月14日至11月29日間，薩拉托加號運送一批軍人從聖佩德羅到夏威夷，並在1941年1月6日進入布雷莫頓(Bremerton，WA)的海軍船塢，進行長期現代化改裝～包括加長飛行甲板、在右舷安裝泡形罩，並加裝防空火炮。1941年4月28日離開布雷莫頓。她在5月參加了一次登陸演習。由於與日本的外交危機，她在6月和11月兩次前往夏威夷。
當珍珠港事件於1941年12月7日發生時，薩拉托加號正在聖地牙哥港。第二天，她成為新組建的第一航空母艦戰隊的旗艦(列星頓號航空母艦 (CV-2)和企業號已經在行動中)。她撘載陸戰隊的飛機，原本計畫前往增援防守脆弱的威克島；12月15日她抵達珍珠港，並且在補充油料後立即啟程。同補給的水上飛機母艦丹吉爾號(Tangier（AV-8）)會合後，搭載增援的陸戰隊。列星頓號和企業號由於距離過遠而無法前來，然而艦隊的行動卻被緩慢的油輪所耽擱，在接到日本航艦部隊也參加威克島的攻勢、並且已經展開登陸的消息後，支援艦隊於12月22日被撤回。威克島於隔天陷落。
薩拉托加號繼續部署在夏威夷群島，但在1942年1月11日，當她正前往歐胡島西南方500哩與企業號的會合點時，遭到日本伊16號潛艦的突襲，被一枚魚雷擊中。儘管6人陣亡、3間引擎火爐室被淹沒，薩拉托加號仍然靠著她自身的動力返回歐胡島。在維修中拆除無法用於防空的8吋火炮，接著她前往布雷莫頓的海軍船塢長期維修，安裝現代化防空火力。
薩拉托加號於5月22日離開普吉灣前往聖地牙哥，5月25日到達後開始訓練飛行機隊，以準備情報機關所獲知的，日本即將對中途島展開的「攻勢」。由於搭載飛機和集合護航船隻所需的時間，薩拉托加號直到6月1日才得以出發，並在6月6日到達珍珠港，那時中途島海戰已經結束。她在補充油料後，於6月7日離開珍珠港，6月11日運送34架飛機至大黃蜂號和企業號，以補充之前戰役的損失。三艘航空母艦接著往北前進，以對付依據情報日本在阿留申群島的行動，不過在中途任務便被取消，薩拉托加號於6月13日回到珍珠港。
在6月22日至6月29日之間，薩拉托加號運送陸戰隊和陸軍的飛機至中途島。7月7日，她前往西南太平洋，並在7月28日至7月30日之間替在斐濟進行的登陸演練提供空中掩護，這是為即將在瓜達爾卡納爾島展開的登陸行動所做的演練。薩拉托加號成為法蘭克．弗萊契海軍少將(Rear Admiral Frank J. Fletcher)的艦隊旗艦，在瓜達爾卡納爾戰役中於8月7日出動機隊進行攻擊。並在接下來2天為登陸行動提供空中支援：在第一天中，日本發動了一次空中攻擊，在尚未接近薩拉托加號前便被擊退，由於擔心進一步的攻擊，艦隊於8月8日的下午離開前往補給燃料。由於薩拉托加號的撤離，造成當天晚上發生的薩沃島戰役(Battle of Savo Island)中有四艘盟軍巡洋艦遭擊沉。薩拉托加號繼續部署在索羅門群島的東方，保護盟軍海域和灘頭堡，並且等待日本海軍的反擊。
日本的反擊在日軍運輸艦隊於8月23日被發現後展開，薩拉托加號發起機隊進行攻擊，但攻擊機隊卻搜索不到日軍。隔天艦隊接獲「發現日軍航艦」的報告，兩小時以後，薩拉托加號發起攻擊，擊沉了日軍輕型航空母艦龍驤號。當天下午，發現了日軍另一艘航空母艦的攻擊行動後，薩拉托加號匆忙再次發起機隊，這次機隊發現並擊傷日軍的水上飛機母艦千歲號。同時，由於雲層掩護，薩拉托加號得以躲過日軍翔鶴和瑞鶴號的攻擊機隊，日軍轉而集中攻擊並且破壞企業號。在美軍猛烈反擊下，日軍空中部隊蒙受極大損失，只得在抵達瓜達康納爾島前撤回艦隊。
當晚薩拉托加號回收機隊，並在25日補給油料後繼續在索羅門群島東方巡邏。1週後的8月31日，在巡邏中，一艘驅逐艦報告有魚雷正朝向薩拉托加號，然而長達888英尺的航空母艦無法在短時間轉向。1分鐘後，這枚從日軍伊26號潛艦發射的魚雷擊中右舷的泡形罩；魚雷並沒有造成任何人員死亡(但弗萊契海軍少將受了輕傷)。1間引擎火爐室被淹沒，然而撞擊所引發的短路卻造成渦輪發電推進系統損壞，使她癱瘓在海上動彈不得。巡洋艦明尼亞波利斯號(USS Minneapolis （CA-36）)把薩拉托加號拖曳回岸邊的基地。當天下午，薩拉托加號的工程師使艦上恢復電力供應，讓她能以10節(19公里/小時)的速度航行。9月6日至9月12日，在東加塔布(Tongatapu)進行簡單修理後，薩拉托加號於9月21日回到珍珠港大修。
1943
薩拉托加於1942年11月10日離開珍珠港，經過斐濟於12月5日到達努美阿(Nouméa)。她在努美阿的附近部署了一年，為一些小型的任務提供空中掩護並保護東索羅門群島的美軍。在1943年5月17日至7月31日之間，接受英軍勝利號航空母艦的增援，10月20日普林斯頓號(USS Princeton,CVL-23)加入。在11月1日對布干維爾島(Bougainville)的攻擊中，薩拉托加號的機隊摧毀附近布卡島(Buka Island)的日軍機場。接著在11月5日，在接獲日軍巡洋艦於拉包爾(Rabaul)聚集、準備反擊美軍登陸行動的情報後，薩拉托加號進行了或許是她最傑出的一次攻擊任務：攻擊機隊穿過嚴密防衛的港口，並癱瘓大多數日軍的巡洋艦，解除對布干維爾島可能的水面威脅。薩拉托加號毫髮無傷離開，並且於11月11日再次前往空襲拉包爾。
薩拉托加號和普林斯頓號在對吉柏特群島(Gilbert Islands)的攻勢中被分派擔任支援艦隊，在11月19日攻擊諾魯後，艦隊於11月23日與運送駐防部隊前往馬金島(Makin)和塔拉瓦環礁(Tarawa)的船隊會合。艦隊持續提供空中支援直到運輸艦成功登陸，並且繼續在塔拉瓦上空進行巡邏。直到此時，薩拉托加號已經航行超過一年，且沒有經過任何維修。薩拉托加號於11月30日回到美國；她在聖地牙哥進行大規模檢修(從1943年12月9日到1944年1月3日)，並且最後一次增強防空火力，增設60門40公厘火炮以取代原有的36門20公厘火炮。
1944
薩拉托加號於1月7日抵達珍珠港，在進行短暫的訓練後，在1月19日出發與普林斯頓號和蘭利號(USS Langley，CVL-27)前往支援在馬紹爾群島的行動，她的機隊轟炸瓦傑環礁(Wotje Atoll)和塔羅亞島(Taroa)三天(1月29日至1月31日)。接著攻擊埃尼威托克島(Eniwetok)的主島Engebi島，從2月3日至6日和10日至12日。並在16日對日本的防衛進行最後的攻擊，在隔天的登陸行動中提供空中支援和空中巡邏，直到2月28日。
薩拉托加號接著離開太平洋戰場將近1年，進行同樣重要但較不起眼的任務。她的第一件任務是前往幫助英軍在遠東的航艦攻勢。3月4日，薩拉托加號與3艘護航的驅逐艦離開馬朱諾島(Majuro)，航行經過聖埃斯皮里圖島(Espiritu Santo)、荷巴特、澳洲的塔斯馬尼亞(Tasmania)和弗利曼特(Fremantle)，於3月27日在斯里蘭卡的亭可馬里(Trincomalee)加入印度洋的英軍東方艦隊，同行的有英軍光輝號航空母艦(HMS Illustrious)，和四艘護航戰艦。薩拉托加號在那裡帶頭進行密集的訓練，美軍飛行員得以將實戰的經驗傳授給英軍飛行員。在4月16日，艦隊出發前往轟炸蘇門達臘的西北方。在這波出乎日軍意料的新攻勢中，聯軍轟炸了許多港口和油料儲藏設施。由於初次空襲相當成功，薩拉托加號滯留了一段時間以再度發起第二次攻擊。5月6日艦隊再次從斯里蘭卡出發，前往攻擊爪哇島的泗水，取得同樣豐富的戰果。
薩拉托加號在1944年6月10日到達布雷莫頓(Bremerton，WA)，並在整個夏季進行維修。9月24日抵達珍珠港，並開始她的第二次特殊任務：訓練夜間戰鬥機飛行隊。薩拉托加號早在1931年便曾進行夜間飛行的試驗，許多航艦也曾經在夜間接收飛機的緊急降落，但只有直到1944年8月，獨立號航空母艦(USS Independence （CVL-22）)進行的起降才是「配備夜間飛行裝置」的飛機起降紀錄。在同一時間，薩拉托加號與遊騎兵號所組成的艦隊開始於珍珠港進行夜間飛行訓練和試驗，薩拉托加號持續進行4個月的訓練。1945年1月，類似獨立號的輕航空母艦由於體積過小而限制在夜間的起降安全，因此薩拉托加號於1945年1月29日與企業號一同從珍珠港出發，組成專司夜間飛行的艦隊，前往硫磺島進行任務。
1945
薩拉托加號於2月7日抵達烏利西環礁(Ulithi)，隨行的有企業號以及其他4艘航空母艦。2月12日，在天寧島(Tinian)進行陸戰隊的登陸演練後，艦隊於2月16日至17日向日本本土發動牽制性空襲，以支援即將展開的硫磺島戰役。薩拉托加號被分派在行動中提供其他航艦空中掩護，不過在戰鬥中，她的機隊轟炸了2座日本的機場。艦隊於2月18日、2月19日以及2月21日補給燃料，薩拉托加號與3艘護航驅逐艦加入兩棲作戰任務，並且在夜間提供空中支援。然而當薩拉托加號於21日17:00到達部署地區時卻意外遭到日軍攻擊，在護航船隻不足的情況下，利用低雲層掩護的6架日軍戰機在3分鐘內命中5枚炸彈，導致薩拉托加號的前飛行甲板完全毀壞，右舷炸出兩個大洞，並在飛機庫引發熊熊大火，陣亡和失蹤者高達123名。在19:00的另一波攻擊中又被另一枚炸彈命中，雖然薩拉托加號仍然可以接收飛機降落，但她被命令返回埃尼威托克島(Eniwetok)接著再返回西海岸接受修理，她在3月16日回到布雷莫頓港。
在5月22日，薩拉托加號在完全維修後離開普吉灣，並在6月3日重新開始在珍珠港訓練飛行員。在日本投降後，訓練於9月6日停止。在魔毯行動(Operation Magic Carpet)中，於9月9日從夏威夷運送3712名海軍人員返回美國本土。到魔毯行動結束為止，薩拉托加號一共載回了29204名軍人，超過其他任何船隻。在其17年的服役期裡，飛機降落次數為98549次，成為當時「最多飛機降落的航空母艦」。
退役
由於已經有大量服役的艾塞克斯級航空母艦，薩拉托加號在戰後成了多餘的航艦，她被分派至十字路行動(Operation Crossroads)的參與名單內，在位於比基尼環礁的核子武器試驗中試驗原子彈對於海軍船隻的破壞力。她在第一波於7月1日、距水面上空600米處空中爆炸試驗後依然存活，但承受了嚴重損傷，艦體一度大火。在7月25日、第二波於水面下27米的爆炸實驗裡，離爆心318米處的薩拉托加號承受致命的損傷，爆炸能量掀起的海浪導致飛行甲板塌陷，左舷艉部艦體開始大量進水。一些曾在薩拉托加號服役的海軍人員相當不捨，曾試著挽救她，然而由於放射線的危險阻撓而做罷。在爆炸後7個半小時，薩拉托加號的煙囪坍塌在甲板上，最後沉入潟湖。她在1946年8月15日從海軍艦隻名單中剔除。
在大戰中，薩拉托加號總共獲得7枚戰役之星勳章。
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