В последней стадии войны в Тихом океане он атаковал Марианские острова и высадил войска на остров Сайпан, нанеся тяжёлое поражение японскому флоту в Битве в Филиппинском море; им были захвачены острова Сайпан, Гуам и Тиниан. Боевые подразделения флота изолировали укрепления противника на Центральных и Восточных Каролинских Островах и затем в быстром темпе очистили острова Пелелиу, Ангаур и Улити. В районе Филиппинских островов его корабли обратили в бегство мощные подразделения японского флота — это была победа исторического значения в многоступенчатом Сражении в заливе Лейте с 24 по 26 октября 1944 года. Нимиц привёл к победному концу долгую стратегическую операцию, успешно высадив морской десант на Иводзиму и Окинаву. Вдобавок ко всему, Нимиц убедил ВВС США минировать японские порты и судоходные пути с воздуха, используя бомбардировщики «Б-29 Суперфортресс» в успешной операции «Голодовка», которая серьёзно нарушила японскую систему снабжения.