Нимиц как командующий Тихоокеанским флотом и районом Тихого океана, подготовил планы для командующих оперативными соединениями. Расшифровка перехваченных радиограмм противника позволила адмиралу, не отвлекая свое внимание на демонстративную высадку на Алеутских островах, направить все силы к острову Мидуэй, который стал объектом основного удара для главных сил японского флота. В июне 1942 года благодаря сведениям разведки американцы установили местоположение японского флота под командованием И. Ямамото в районе острова Мидуэй и атаковали неприятельские авианосцы, когда большинство самолетов заправлялись на них горючим. В результате сражения японцы лишились 4 авианосцев, более 300 самолетов и многих летчиков. То была первая победа американского флота в войне и первое поражение японского флота. Инициатива перешла в руки американцев.

Японские войска, продолжая наступление, заняли остров Гуадалканал из числа Соломоновых островов и начали строить аэродром. Комитет начальников штабов решил остановить продвижение японцев и вернуть остров. Высадка на Гуадалканал с целью отбить остров у японцев была предпринята силами флота южной части Тихого океана под руководством вице‑адмирала Гормли, находившегося в распоряжении Нимица и не подчинявшегося генералу Макартуру, зона ответственности которого располагалась рядом. Основную ударную силу составляли 3 авианосца оперативного соединения вице‑адмирала Флетчера.

К лету 1944 года американский флот располагал достаточными силами, чтобы решительно наступать на японские позиции. Комитет начальников штабов принял решение, кроме наступления войск Макартура на Новой Гвинее и в сторону Филиппин при поддержке флота, организовать захват островов в центре Тихого океана, необходимых для развертывания оперативных баз флота и подавления соседних вражеских аэродромов. Эти операции были возложены на адмирала Нимица. Нимиц и Макартур захватывали один за другим острова, приближаясь все ближе к Японии. В ноябре 1943 года Нимиц захватил острова Гилберта, в феврале 1944‑го — Маршалловы острова, в августе 1944‑го — Марианские острова, в октябре вместе с Макартуром отвоевывал Филиппинские острова. В знак признания заслуг Нимицу присвоили новый чин пятизвездного адмирала флота.

В ходе Филиппинской операции 3‑й флот адмирала Хэлси, прикрывавший высадку от неприятельских судов, непосредственно подчинялся Нимицу и не был в распоряжении Макартура. Хэлси получил приказ Нимица «прикрывать и поддерживать силы в юго‑западной части Тихого океана, чтобы помочь им захватить и оккупировать объекты на центральных Филиппинских островах, уничтожить морские и воздушные силы противника в районе Филиппин и силы, угрожающие ему, а также прикрыть воздушные и морские коммуникации в центральной части Тихого океана». В случае появления благоприятной возможности уничтожение значительной части флота противника должно было стать главной задачей. Командующим 3‑м и 7‑м флотом следовало самим координировать свои действия. Наступление американцев и попытка японского флота воспрепятствовать им привели к морскому сражению, которое Нимиц приказал официально назвать сражением за залив Лейте. В ходе сражения американский флот истребил большую часть японского, так и не прорвавшегося к месту высадки войск.

С начала 1945 года Нимиц начал наступление, завоевывая острова Гуам, Иводзима, Окинава, и уже готовил вторжение в Японию. После атомной бомбардировки японцы согласились капитулировать 11 августа, однако действия 3‑го флота продолжались, пока Нимиц в ночь на 15 августа не приказал Хэлси прекратить атаки и идти к Токио, соблюдая осторожность. Однако он вскоре отменил приказ. 15 августа авианосные ударные группы выслали для атаки самолеты, но, когда те оказались в пяти минутах лета от целей, поступил приказ Нимица: «Воздушные атаки временно прекратить. Об исполнении донести». В тот же день 3‑й флот получил приказ с Гуама: «Немедленно прекратить наступательные действия против японских сил. Продолжать поиски и патрулирование. Обеспечить в максимальной степени мероприятия в области обороны и внутренней безопасности. Остерегайтесь предательства». Так как до окончательной капитуляции прошло еще две недели, флот готовился к оккупации и занимался спасением военнопленных, находившихся в Японии.

2 сентября на борту «Миссури» Нимиц, как представитель США, подписал акт о капитуляции Японии. 5 октября, день возвращения на родину, стал для Нимица триумфальным. 26 ноября 1945 года сенат назначил моряка начальником морских операций вместо адмирала Кинга. В течение двух лет он руководил демобилизацией. Флотоводец являлся одним из инициаторов постройки атомных подводных лодок. Он ушел в отставку 15 декабря 1947 года. Некоторое время моряк состоял советником секретаря по военному флоту, позднее — военным представителем США в Кашмире Он умер от осложнения после операции 20 февраля 1966 года и похоронен на Национальном кладбище в Сан‑Франциско.

Нимица, умевшего поддерживать высокий моральный дух на флоте и работать с офицерами всех рангов, считали самым выдающимся американским флотоводцем Второй мировой войны. Большой разносторонний опыт позволил ему успешно проводить операции. Моряк проявил дипломатические способности во взаимодействии с командующим американской армией Дугласом Макартуром и способности тактика, одерживая победы при скромных ресурсах и превратив флот в наивысшую в истории морскую силу.