11月8日、修理を終えたペンサコーラはガルヴァニック作戦に参加し、機動部隊の護衛のため真珠湾を出撃した。11月19日、ペンサコーラはベティオ島に対して艦砲射撃を行い、600発の主砲弾を発射して水際防御の陣地と構造物を破壊した。タラワの戦いが始まると、ペンサコーラは艦載機と協力して上陸部隊の支援を行った。その前後に発生した第一次ギルバート諸島沖航空戦では一式陸攻を追い払ったものの軽空母インディペンデンス (USS Independence, CVL-22) に魚雷が1本命中して損傷。ペンサコーラは、損傷したインディペンデンスをフナフティ島に送り届けた。その後の2ヵ月間、ペンサコーラは機動部隊の護衛に徹した。1944年1月29日からは、ペンサコーラはマーシャル諸島に対する戦いに参加した。29日夜に東部マーシャルのタラオ島を艦砲射撃したのに続き、ウォッジェ環礁にある飛行場、水上機基地、火薬庫および陸上構造物を艦砲で破壊した。1月31日にもクェゼリン環礁とマジュロ環礁に対して圧力をかけ、2月5日からのクェゼリンの戦いによってロイ＝ナムル島が第4海兵師団によって占領された後も、ペンサコーラは2月18日までタラオ、マロエラップ環礁の海岸陣地と飛行場に対する砲撃を続けた。マーシャル諸島制圧後はクェゼリンとマジュロを中心に哨戒を行い、3月30日から行われた高速機動部隊によるパラオ、ヤップ島、ウルシー環礁およびウォレアイ環礁に対する攻撃では、再び機動部隊の護衛に徹した。ペンサコーラは4月25日にマジュロを出港して真珠湾とメア・アイランドを経由し、北太平洋に向かった。5月27日、ペンサコーラはクラック湾に到着した後、巡洋艦と駆逐艦による任務部隊に加わり、6月13日に松輪島の飛行場に対して艦砲射撃を行ったのを皮切りに、6月26日朝には幌筵島の港湾施設や飛行場に対して300発もの8インチ砲弾を浴びせた。ペンサコーラは6月28日にクラック湾に帰投後、8月8日までアリューシャン方面で哨戒を行った後真珠湾に戻った。8月13日、ペンサコーラは真珠湾に到着。29日に他の重巡洋艦と第12.5任務群（アレン・E・スミス少将）を構成してマリアナ諸島へ向かい、その途中の9月3日には軽空母モンテレー (USS Monterey, CVL-26) の艦載機などと共同でウェーク島へ艦砲射撃を行った。10月9日には南鳥島の通信施設と陸上施設を砲撃した。これらの攻撃は、ウィリアム・ハルゼー中将率いる第3艦隊が、アメリカ側の次の目標が小笠原諸島方面等であるかのように装って、日本側の注意を真の目的と違う方向に向けるために行われた。この間、ハルゼーの高速機動部隊は沖縄島と台湾を空襲した後、フィリピンに進撃した。ペンサコーラは台湾沖航空戦で大破した軽巡洋艦ヒューストン (USS Houston, CL-81) および重巡洋艦キャンベラ (SS Canberra, CA-70) をウルシーまで護衛したあと、10月16日に空母ワスプ (USS Wasp, CV-18) とともに高速機動部隊に加わった。翌日、第7艦隊に支援されてフィリピンの戦いが始まった。ペンサコーラはジョン・S・マケイン中将の第38.1任務群に加わってレイテ沖海戦を戦うことになった。10月20日のレイテ島への上陸を支援後、小沢治三郎中将率いる機動部隊と対決すべく北に急行し、小沢の機動部隊を打ちのめすと南に向かった。ペンサコーラは高速機動部隊の護衛から離れた後、11月11日夜から12日にかけて、硫黄島に対する艦砲射撃のため出撃し、14日にウルシーに帰投。11月20日早朝、ペンサコーラは重巡チェスター(USS Chester, CA-27)、ソルトレイクシティ(USS Salt Lake City, CA-25)、駆逐艦4隻と共にウルシー環礁から出て、ムガイ水道を通過していた。0523、水道東口を哨戒中の米掃海艇ヴィジランス(USS Vigilance, AM-324)が潜望鏡と航跡を発見し、通報。これを受け、艦隊は水道を出るとともに之字運動を開始。その後、チェスターが550m先に、その右舷を航行していた米駆逐艦ケース(USS Case, DD-370)が艦隊に接近しようと南下する潜望鏡を発見。チェスターはこれを押し潰そうとスピードを上げた。「潜航艇が魚雷発射のために占位運動中」と判断したケースは、潜望鏡がチェスターを向いたままなのを見て体当たりを決意。チェスターは衝突を避けるためスピードを落として進路を変えた。0538、ペンサコーラの右舷2000mの距離で潜望鏡を発見。ペンサコーラはこれを回避した。潜航艇はペンサコーラの前方を潜航通過して隊列の南側に浮上し、左に大きく旋回してチェスターの右正横に移動。ケースはここにきて面舵一杯、右舷後進一杯、左舷機前進一杯で急速転舵し、0538に浮上航走中の潜航艇の左側から中央部を艦首でへし折り、続いて旋回しながら爆雷を投下し、これを撃沈した。この潜航艇は伊36から発進した回天である可能性が高い。その4分後、ペンサコーラは僚艦とともに、回天による給油艦ミシシネワ(USS Mississinewa, AO-59) の沈没を目の当たりにした。ペンサコーラは11月22日にサイパン島に入港した。硫黄島に対する再度の砲撃の準備を行った一方で、5日後の11月27日には、イセリー飛行場に集結するB-29を破壊すべく襲撃してきた第一御盾隊の排除に協力した。ペンサコーラは12月6日にサイパン島を出撃し、12月8日に硫黄島に対して8インチ砲を500発発射した。ペンサコーラは12月24日と27日、1945年1月5日にも摺鉢山北方にある砲台を砲撃し、1月24日には父島と母島の防御施設にも砲撃を加えた。1月27日、ペンサコーラはウルシーで構成されたB. J. ロジャース少将率いる、戦艦と巡洋艦、駆逐艦で構成された任務部隊に加わった。任務部隊は戦艦6隻と巡洋艦4隻を中心とし、その周囲を駆逐艦が護衛していた。任務部隊は2月10日に出撃した後、テニアン島を経て硫黄島に向かった。2月16日、ペンサコーラは硫黄島の北西海域に位置し、同方面の守備隊に向けて発砲した。午後、ペンサコーラの観測機を操縦していたダグラス・W・ガンディ中尉は、日本の戦闘機を撃墜した。翌日、ペンサコーラは掃海艇の支援のため海岸にかなり接近して砲撃をしていた。その時、砲台からの反撃を受け、ペンサコーラは避退行動に移ろうとした。しかし、続けさまに7発被弾し、観測機が炎上して砲撃のために並べてあった弾薬にも引火してのた打ち回った。ペンサコーラは幹部3名と14名の乗組員が戦死し、幹部1名と114名の乗組員が負傷した。幸い、ペンサコーラに命中弾を与えた砲台の足場が崩れたため、ペンサコーラは命拾いをした。ペンサコーラは応急修理のため一時下がり、修理完了後砲撃任務を続行した。2月19日朝、ペンサコーラは上陸部隊の支援砲撃を実施し、昼夜問わず砲撃を続けた。3月1日に駆逐艦テリー (USS Terry, DD-513) が反撃により損傷すると、ペンサコーラはテリーを守りつつ砲撃を加えた。一連の砲撃は3月3日まで続いた。ペンサコーラは3月5日にウルシーに帰投し、日本に対する「最後の飛び石作戦」である沖縄戦に参加すべく3月20日に出撃した。3月25日、ペンサコーラは上陸に備えて事前掃海を行う掃海艇隊の支援で日本側の防御施設を砲撃。3月27日、ペンサコーラの左舷艦尾方向に魚雷を発見した。2番目の魚雷はペンサコーラに向かってものすごいスピードで突進してきたが、ペンサコーラは左に避けつつ40ミリ機関砲で魚雷を狙って撃った。最初の魚雷はペンサコーラの右舷艦尾の20フィート未満のところを通過し、潜望鏡はペンサコーラと20ヤード離れたところに出現し通過していき、機銃員はこれに対して発砲した。ペンサコーラは4月1日の上陸作戦当日をはさみ、4月15日まで砲撃を行った。その後、グアムと真珠湾を経由して5月7日にメア・アイランド海軍造船所に到着し、オーバーホールに入った。この時のオーバーホールでは、神風対策で40ミリ機関砲の増設とレーダーの更新が行われ、これと同時に増設した機関砲とレーダー機器類と同等の重量物が除去されることとなった。一例として前部マストは短くなり、不必要な分のカタパルトや測距儀も撤去された。オーバーホールが終わると、ペンサコーラは8月3日にアラスカ州アダック島に向けて出航。終戦時は同地で停泊中であった。8月31日に第5巡洋艦隊と共に出航し、大湊に向かう。9月8日に大湊沖に停泊した。