Вернувшись в Америку, Нимиц некоторое время служил на подводном флоте, а потом, в 1913 г., его послали в Европу изучать немецкие и бельгийские дизельные двигатели. Вернувшись на родину, Нимиц руководил постройкой американского дизельного военного корабля «Моми», на котором, после спуска на воду, служил старшим инженером.
В апреле 1917 г., когда США вступили в Первую мировую войну, «Моми» вошел в состав Атлантического флота. В августе Нимиц был произведен в капитан-лейтенанты и стал помощником адмирала Сэмюэля Робинсона, командующего подводным флотом. Адмирал стал наставником Нимица в период их десятилетней совместной службы. После войны Нимиц служил в Военно-морском департаменте в Вашингтоне, а в 1920 г. был переведен на Перл-Харбор, чтобы инспектировать создание новой базы подводного флота. В последующие два десятилетия Нимиц служил на разных военных кораблях, как подводного, так и надводного флота. Он также бывал по делам в Вашингтоне и, является одним из создателей программ Корпуса резервной подготовки морских офицеров США в американских университетах.
В 1938 г. Нимиц был произведен в контр-адмиралы и стал командовать крейсерской флотилией в Сан-Диего и флотилией линкоров на Гавайях. Вернувшись в Вашингтон, он возглавил там в июле 1939 г. Бюро навигации. Ко времени японской бомбардировки Перл-Харбора в 1941 г. Нимиц был начальником военно-морского персонала, ответственным за людские ресурсы во время войны.
31 декабря 1941 г., по рекомендации секретаря по военному флоту Нокса, президент Рузвельт назначил Нимица командующим Тихоокеанским флотом США, дав ему чин адмирала. Конечно, лучше было бы назначить на Тихом океане единого главнокомандующего, но генерал Макартур и армейские офицеры не согласились бы служить под началом флотского офицера. Поэтому ответственность за тихоокеанский театр военных действий разделили два командующих — Макартур и Нимиц. К счастью, оба офицера, прежде всего благодаря дипломатическим способностям адмирала, хорошо сработались, решив, что воевать надо только с японцами.
Хотя союзники, согласно плану «Европа I», сочли войну с Японией второстепенной по значению, Нимиц, для которого это была первостепенная задача, не пожалел сил, чтобы остановить японскую экспансию, перехватить инициативу и перенести военные действия на японскую территорию. Получив от американских дешифровщиков информацию о планах японцев, Нимиц заставил их вступить с ним в битву в Коралловом море в мае 1942 г.
В июне следующего года Нимиц, получив данные разведки, установил местонахождение противника (командовал японскими кораблями адмирал Ямамото (№ 77), который напал на Перл-Харбор) в районе острова Мидуэй и напал на японцев, когда большинство их самолетов находилось на авианосцах, заправляясь горючим. Нимиц добился первой победы американцев в этой войне и первого поражения японского флота за 350 лет. Японцы в этом бою потеряли четыре из девяти авианосцев, более трехсот самолетов и многих лучших летчиков.
После этой битвы американцы перехватили инициативу в ведении военных действий. Нимиц и Макартур захватили ряд островов, все более приближаясь к собственно японской территории. В ноябре 1943 г. Нимиц захватил острова Гилберта, в феврале 1944 г. — Маршалловы острова, в августе 1944 г. — Марианские острова. В октябре он вместе с Макартуром отвоевывал Филиппины. В знак признания заслуг Нимица правительство США присвоило ему только что введенный чин пятизвездного адмирала флота.
В начале 1945 г. Нимиц начал наступление на острова Гуам, Иво Джима и Окинаву. Он уже готовил вторжение в Японию, когда японцы капитулировали после атомной бомбардировки. 29 августа Нимиц отплыл в Токийский залив на американском флагмане «Южная Дакота», а 2 сентября, во время церемонии капитуляции на борту «Миссури», Нимиц, как представитель США, подписал акт о капитуляции.
5 октября Нимиц вернулся в США, и день его прибытия был отпразднован как «День Нимица». Вскоре после своего триумфа Нимиц стал командующим военно-морскими операциями и в течение следующих двух лет руководил демобилизацией, одновременно являясь одним из инициаторов создания атомных подлодок. 15 декабря 1947 г. он ушел в отставку. В дальнейшем Нимиц некоторое время был советником секретаря по военному флоту, а позднее военным представителем США в Кашмире. Он умер, немного не дожив до восьмидесяти одного года, от осложнения после операции, 20 февраля 1966 г., и был похоронен на Национальном кладбище в Сан-Франциско.