Вместо l,1 — дюймовых пушек и крупнокалиберных пулеметов «Йорктауна», зенитная артиллерия «Эссекса» была представлена 40- и 20-мм автоматическими пушками. Пушки 20-мм появились на американских авианосцах как следствие обобщения опыта использования такой артиллерии на британских авианосцах.
В годы войны зенитное вооружение «Эссексов» постоянно усиливалась в количественном отношении. К примеру, «Интрепид» вошел в строй, будучи вооруженным восьмью счетверенными 40-мм зенитками и 46 одиночными 20-мм Эрликонами. а закончил войну, имея на борту 17 счетверенных 40-мм зениток и 61 пушку калибра 20-мм. На многих кораблях дополнительно ставились два счетверенных 40-мм автомата на спонсонах в носовой части корпуса, еще две установки монтировалось на палубной галерее, три — по правому борту ниже островной надстройки и две — в задней части по левому борту. Все бортовые дополнительные зенитные установки перед проходом кораблей Панамским каналом демонтировались. На большинстве кораблей одна 40-м зенитная счетверенная установка монтировалась в корме; «длиннокорпусные» «Эссексы» имели счетверенную 40-мм зенитку в носу. В 1945 г. взамен одиночных 20-мм зениток стали ставить спаренные пушки того же калибра, а на «Уосп» и «Лексингтон» поставили даже армейские счетверенные пулеметы калибра 12,7 мм. Пушки калибра 20-мм и пулеметы могли нанести серьезные повреждения самолету, но не могли уничтожить камикадзе в воздухе до его падения на самолета. После окончания войны большинство зенитных средств малого калибра сняли с авианосцев, взамен были поставлены разного рода плавсредства, необходимые для операций кораблей в условиях мирного времени.
Огонь артиллерии главного калибра управлялся посредством двух систем Mk 37, установленных на островной надстройке. Изначально система Mk 37 комплектовалась антенной РЛС Mk 4, позже на большинстве кораблей были установлены антенны РЛС Mk 12/22. В 1943 г. существовали планы оснащения «Эссексов» третьей системой Mk 37 по левому борту в больших вырезах, сделанных в районе спонсона катапульты. Вырезы в полетной палубе были устроены на двух кораблях, «Тикондерога» и «Хэнкук», но третья система Mk 37 не была смонтирована ни на одном «Эссексе». Вырезы в палубах «Тикондероги» и «Хэнкука» в ходе ремонтов заделали.
Артиллерия калибра 40 мм контролировалась системой Mk 49, а также РЛС Mk 11 или Mk 19. Данная система оказалась неудачной, ее заменили РЛС Mk 51 с прицелами Mk 14. Орудия калибра 20 мм наводились вручную, хотя иногда для управления стрельбой 20-мм артиллерией использовались прицелы Mk 14.