Формальным поводом для приезда в США стало приглашение прочитать цикл Бейкеровских лекций на химическом факультете Корнеллского университета. В мае 1940 года Германия вторглась в Нидерланды, поэтому в июле Дебай решил остаться в Корнелле и принять предложение возглавить химический факультет; при этом формально он оставался директором берлинского Института физики (без жалования) до окончания войны, когда Общество кайзера Вильгельма было преобразовано в Общество Макса Планка. Корнелл стал последним местом работы в его долгой карьере. В 1946 году учёный получил американское гражданство, в 1950 году он ушёл в отставку с поста декана, в 1952 — с должности профессора химии, однако, получив звание почетного профессора, до самого конца жизни продолжал заниматься наукой. Он читал лекции и давал консультации в различных городах США, а также обычно дважды в год совершал путешествия в Европу. В апреле 1966 года в аэропорту имени Кеннеди, откуда Дебай собирался начать очередную поездку, у него случился сердечный приступ. Хотя уже через месяц он вернулся к научной деятельности и преподаванию, вскоре ему пришлось вновь лечь в больницу. Учёный продолжал интересоваться работой своей лаборатории до последних дней жизни. Он скончался 2 ноября 1966 года и был похоронен на кладбище Плезант-гроув (Каюга-хайтс, округ Томпкинс, штат Нью-Йорк).