Da høyesterettsjustitiarius Morrison Waite avgikk ved døden i mars 1888 ble Fuller nominert til hans etterfølger av president Grover Cleveland. Senatet godkjente utnevnelsen med stemmetallet 41–20. Blant annet stemte ni senatorer fra Det republikanske partiet for utnevnelsen av Fuller. Som justitiarius forstavet han presidenteden for Benjamin Harrison, Grover Cleveland (andre mandatperiode), William McKinley, Theodore Roosevelt og William Howard Taft. Fuller avgikk ved døden i embetet den 4. juli 1910. Han var gift to ganger, første gang i 1858 med Calista Reynolds (som døde i 1864), og andre gang med Mary Coolbaugh i 1866. Han etterlot seg seks døtre.