Формальним приводом для приїзду у Сполучені Штати стало запрошення прочитати цикл Бейкерівських лекцій на хімічному факультеті Кронельського університету. У травні 1940 року Німеччина окупувала Нідерланди, тому в липні Дебай прийняв пропозицію очолити хімічний факультет, формально залишаючись директором берлінського Інституту фізики (без окладу) до завершення війни, коли Товариство кайзера Вільгельма було перетворене на Товариство Макса Планка. Корнел став останнім місцем роботи в його тривалій кар'єрі. У 1946 році науковець отримав американське громадянство, у 1950 році пішов у відставку з посади декана, у 1952 — з посади професора хімії, однак, отримавши звання почесного професора, до самого кінця життя продовжував займатися наукою. Він читав лекції і давав консультації в різних містах США, а також зазвичай двічі на рік здійснював подорожі в Європу. У квітні 1966 року в аеропорту імені Кеннеді, звідки Дебай збирався почати чергову поїздку, у нього стався серцевий напад. Хоча вже через місяць він повернувся до наукової діяльності і викладання, невдовзі йому довелось знову лягти до лікарні. Науковець цікавився роботою своєї лабораторії до останніх днів життя. Він помер 2 листопада 1966 року і був похований на цвинтарі Плезант-гроув (Каюга-хайтс, округ Томпкінс, штат Нью-Йорк).