由於家境貧寒，尼米茲在讀完中學之後，就到姨母開辦的旅館當職員，以微波的薪水接濟自己的家庭。為了爭取進壹步學習深造，尼米茲決定報考軍校。1901年9月，16歲的尼米茲邁入了安納波利斯海軍學院的大門，開始了他壹生漫長的海軍生涯。
在海軍學院裏的尼米茲非常用功，除了認真完成正規的科目學業之外，他特別註重課外的學習內容，他認為"有些最有價值的經驗不是從書本中能學到的"。1905年1月，不滿20歲的尼米茲以非常優異的成績提前畢業，並立即登上美國海軍亞洲艦隊的旗艦"俄亥俄"號戰列艦，進行為期兩年的海上實習。1905年底，日本天皇在花園裏舉辦盛大宴會慶賀日本海陸軍在日俄戰爭中獲得的勝利；正停泊在東京灣裏的"俄亥俄"號旗艦派出包括尼米茲在內的6名學員當作代表前往赴宴。年輕的美國海軍學員們在宴會上見到了剛剛因對馬海戰大捷而名震整個世界的日本海軍聯合艦隊司令長官東鄉平八郎大將，並由尼米茲大膽地當面邀請正要退席的東鄉平八郎大將和他們壹起喝酒。令尼米茲等美國海軍學員們感到意外的是，東鄉大將滿臉笑容地接受了尼米茲的邀請，與這些年輕的美國小夥子壹壹握手，並用極標準而流利的英語同他們簡單交談了片刻。這是尼米茲唯壹壹次見到東鄉平八郎這位享有世界級聲譽的海軍名將。這次極其難得的片刻會晤，給年輕的尼米茲留下了終身難忘的印象，他暗自發誓：自己將來壹定要成為壹位比東鄉平八郎大將更出色的海軍統帥。直到尼米茲後來成為將軍時，他仍然盡力保留對東鄉平八郎大將的敬意和懷念。
1907年，尼米茲完成了海上實習，"俄亥俄"號戰列艦的洛根艦長在給海軍學院的報告中寫道："我很高興能介紹尼米茲實習艦員的情況，提供妳們參考：他是壹名優秀軍官。"尼米茲因此獲得了海軍少尉軍銜，成為壹名正式的海軍軍官，並出任壹艘魚雷艇的艇長。兩年後，尼米茲越過海軍中尉軍銜，被破格提升為海軍上尉，並被調往潛艇部隊任職。由於對潛艇技術問題的刻苦鉆研及其出色成果，27歲的尼米茲於1912年以潛艇專家的身份，應邀在美國海軍軍事學院作了專題演講，獲得壹致好評，從而開始在美國海軍嶄露頭角。
第壹次世界大戰爆發後，尼米茲作為"莫米"號油船的船長，駕船赴大西洋承擔海上油料補給任務，他成功總結出壹套切實可行的縱向航行加油的方法。曾任英國參謀總長的加富爾元帥認為尼米茲是壹位觀念領先的專家，這種經驗對於他以後在太平洋中發動高度機動性海上戰爭也大有貢獻。大戰結束後不久，尼米茲改任'南卡羅萊納"戰列艦的副艦長。1922年，尼米茲被提升為海軍上校，並被送入美國海軍戰爭學院深造；這意味著尼米茲將步入美國海軍高級指揮官的行列。在學習期間的兵棋演習中，尼米茲打破海軍傳統的戰列線戰術慣例，探索以航空母艦為核心的圓形戰鬥隊形。畢業後，尼米茲出任美國海軍主力艦隊的助理參謀長。在艦隊司令官羅別森將軍的支持下，尼米茲組織進行了圓形戰鬥編組的海上演習，並將美國當時唯壹的壹艘航空母艦納入戰鬥編組之中。尼米茲所倡導的這種圓形戰鬥編組，後來終於成為第二次世界大戰中標準的航空母艦戰鬥隊形。此後，尼米茲先後出任了潛艇分隊司令官、驅逐艦分艦隊司令官、巡洋艦第二分艦隊司令官和戰列艦第壹分艦隊司令官等重要指揮職務。1938年7月，尼米茲榮升為海軍少將，就任特遣艦隊司令官；次年，被調升為海軍航海局（現名海軍人事局）局長，尼米茲的傑出指揮才幹受到美國白宮的重視。在他成為海軍少將後不久，羅斯福總統親自召見了他，並打算讓他越過比他資歷更深的28位海軍將官，出任太平洋艦隊司令官。尼米茲認為自己資歷太淺而婉言謝絕了羅斯福總統的好意；此時身在美國海軍部高樓之上的尼米茲，渴望有機會重返波瀾壯闊的大海。
1941年12月7日，日本海軍聯合艦隊以第壹航空艦隊6艘航空母艦為主的海上機動部隊，用不宣而戰的方式，成功地偷襲了美國海軍太平洋艦隊的母港珍珠港基地。經過短短兩個小時兩次空中攻擊波的猛烈空襲，美國海軍太平洋艦隊集泊在珍珠港內的全部8艘戰列艦、10余艘巡洋艦等40多艘軍艦，以及300多架飛機遭受嚴重損失（該艦隊的3艘航空母艦因出海未歸而得以幸免），官兵死傷3600名，珍珠港基地的碼頭、機場和船臺等設施均遭重創。
日本海軍偷襲珍珠港的事件，立即震驚了整個世界。壹位美國記者曾經這樣寫道："那個時代的每壹個人，都忘不了 1941年12月7日這壹天他們身在何處。他們對於聽到日本襲擊珍珠港美國艦隊這壹令人難以置信消息時的情景，至今記憶猶新。"當時，尼米茲正在華盛頓家中收聽收音機，當無線電播音員大聲報告日本海軍偷襲並重創了珍珠港的消息時，尼米茲是從椅子上跳了起來，並立即前往海軍部大樓，匆匆之中只給妻子凱瑟琳留下壹句話："只有天曉得什麽時刻才能回來。" 尼米茲在晚年回憶說：當時他坐汽車從家裏去海軍部的路途好象沒完沒了，每條街區像是千裏迢迢，每壹瞬間像是難捱的歲月。
美國總統羅斯福立即宣布對日進入戰爭狀態。從珍珠港的廢墟上視察回來的海軍部長弗蘭克·諾克斯，向總統報告太平洋艦隊幾乎損失殆盡的壞消息。羅斯福總統深知太平洋艦隊和太平洋戰區舉足輕重的戰略地位，他大聲作出了壹個不容更改的決定："告訴尼米茲，到珍珠港去收拾殘局；然後留在那裏，直到戰爭勝利！"
1941年 12月17日，切斯特·威廉·尼米茲正式接受了美國海軍太平洋艦隊總司令的職務，他越過了28名比他資歷更深的將官；同時，他被晉升為海軍四星上將。當時，沒有人能夠解釋羅斯福總統及諾福克海軍部長會作出這樣令人不可思議的決定；但幸運的是，不久之後的歷史卻充分證明，這壹決定是極其明智之舉。臨危受命的尼米茲上將立即飛赴夏威夷；迎接他的珍珠港是壹片狼籍，艦船傾覆、瓦礫成堆，焦糊的空氣中彌漫著悲觀失望和消極避戰的低落情緒。航空母艦被命令滯留在海上，僅僅是為躲避日軍可能的再次空襲；大型艦船只有在急需補充油料和給養時才準予回港，並且只允許單艘返港，目的是在遭到日軍新的襲擊時少受損失。但在外海豪無目標的巡航中，美軍的這些大型艦只將冒著隨時遭到日軍潛艇攻擊的危險。目睹這壹切，年過半百的尼米茲上將深感自己此次肩負的使命是如何艱巨，自己已經沒有任何的退路。珍珠港的美軍官兵們默默地註視著這位新上任的總司令，眾人的目光中不乏疑慮的神色。當時的參謀軍官、後來成為檀香山《紅星簡報》編輯的比爾·尤英說；"當我第壹次見到尼米茲時，他站在珍珠港海軍機關大樓的第二層，看起來不怎麽像壹個要竭盡全力把國家從前所未有的困境中拉出來的那種領導者，反倒像是壹個退休的銀行家。"滿頭白發的尼米茲知道自己面臨的首要任務是盡快恢復太平洋艦隊的士氣和戰鬥力，他既沒有急於處理那些失職者，也沒有過多責備那些悲觀失望和持有失敗主義觀點的軍官，而是告訴大家"眼睛要向前看，不要向後看"、"要樹立團結精神，齊心協力作戰"。為重振士氣，尼米茲於1942年1月指揮由2艘航空母艦組成的聯合編隊，對日軍控制的馬紹爾群島和吉爾伯特群島實施了壹次閃電式突擊行動，取得戰果。這是美國海軍在第二次世界大戰中的首次得分，極大地鼓舞了美軍官兵的戰鬥士氣。
2月上旬，尼米茲又開始籌劃對日本首都東京的空襲行動。為實現這壹行動計劃，只能啟用陸軍航空隊（當時美國尚無空軍這壹軍種）的B-25岸基遠程轟炸機。該機從航空母艦起飛並對東京實施空襲後，將直接飛赴中國陸地擇地著陸，這在當時是壹相前所未有的大膽決斷。經過兩個多月的緊張籌備，B-25遠程轟炸機從航空母艦上騰空而起，很快就出其不意地將炸彈投在日本東京和名古屋等城市，重挫了日軍的囂張氣焰，並迫使日軍急調壹部分兵力回本土設防。在此同時，尼米茲督率下的太平洋艦隊情報部門在短期內破譯了日本海軍的部分無線電密碼；不久，美軍潛水員又在澳大利亞達爾文港外50米深的海底，從壹艘被擊沈的日本潛艇殘骸裏找到了日軍的戰略密碼本、戰術密碼本和商船密碼本。於是，日本海軍的作戰動向，就處在美國太平洋艦隊的嚴密掌控之中。4月底，為擴大外防禦圈以搶先制止美軍對日本本土的再次空襲，日軍出動了壹支由航空母艦等海軍重兵護航的登陸大軍，直奔珊瑚海方向。在準確獲悉日本海軍的動向後，尼米茲將手中僅有的兩艘航空母艦、8艘巡洋艦和11艘驅逐艦集中編成壹支特遣艦隊，由弗萊徹將軍指揮，星夜馳往珊瑚海方向。
從5月7日拂曉到8日黃昏，珊瑚海海域硝煙彌漫，驚濤四起，爆發了壹場人類戰爭史上第壹次航空母艦的大會戰。在這場著名的珊瑚海大海戰中，美日交戰雙方的軍艦互不照面，只是由艦載機向對方實施遠距離的空中攻擊，這也是人類海戰史上的創新之舉。此戰雙方互有損失，但從戰術上看，日本海軍占了便宜。但戰略上結果卻是完全相反，因為日本海軍在此戰之後的退卻，使美軍保住了與澳大利亞的海上交通線。此戰是日本自發動侵略戰爭以來首次受挫，太平洋戰爭亦由此轉入戰略僵持階段。
珊瑚海的硝煙剛剛散盡，日軍轉而要奪取北太平洋的中途島，將其海上防線推進到中太平洋，以切斷美軍的海上補給線，並迫使美軍退守夏威夷及本土西海岸，從而保證日本本土和日軍南進翼側方向的安全。5月底，日本海軍不惜血本，調集了包括8艘航空母艦在內的近200艘大型作戰艦只駛往中途島。美軍太平洋艦隊確保部門再次準確掌握了日本海軍的行動，尼米茲上將立即調集3艘航空母艦和40多艘其他艦艇，組成航空母艦作戰編隊群，預先駛至中途島東北200海裏海域展開，隱蔽待機擊敵。
6月4日淩晨，日軍第壹機動編隊駛至中途島西北240海裏海域，出動第壹波108架飛機攻擊中途島。美軍航空母艦編隊群立即向其接近，在距敵150海裏處，連續出動第壹、第二波飛機200余架，乘著日航空母艦接受其第壹波飛機返航歸艦和第二波飛機由炸彈改掛魚雷的壹片忙亂之際，對日航空母艦編隊實施連續猛烈的攻擊，給予日本艦隊重創。美軍在此戰***擊沈日軍4艘航空母艦和殲滅250架艦載機（美軍損失1艘航空母艦），獲得了此戰的勝利。
中途島海戰的重大勝利，迅速傳遍世界。美國海軍軍官學校的海軍史專家E·B·波特教授在著作中寫道："尼米茲將軍受到了除軸心國以外世界各國祝賀中途島勝利的信函和電報。陸、海軍軍官及其他研究戰爭的人，都認為中途島海戰是壹場決定性的戰役，打掉了日軍在太平洋的優勢，使雙方的對抗出現均勢。了解情況的人認為，日軍最大的損失不是航空母艦或飛機，而是經過訓練的飛行員。軍事分析家預言，美國不久將轉入進攻。"後來，通過中途島戰役的仔細分析和總結，尼米茲上將發表了壹項正式聲明，進壹步強調了美國海軍官兵們的功績："參戰官兵都表現出色，不論在中途島或海上，還是受客觀條件限制未能參加前線戰鬥的瓦胡島上的官兵，都是這樣。盡管我們的3艘航空母艦在戰爭中起了決定性的作用，但我為所有參戰人員團結合作，完成任務的突出表現感到驕傲。打敗日軍諸兵種和挫敗其野心，不僅是海軍，而且是美國整個武裝部隊的勝利。"中途島海戰使日本海軍聯合艦隊元氣大傷；但不甘失敗的日本人決定將作戰重點轉向西南太平洋，企圖以所羅門群島最南端的瓜達爾卡鈉爾島（簡稱瓜島），作為切斷美國與澳大利亞海上交通線的前進基地。中途島海戰後，美軍立即制訂了代號為"了望臺作戰"的計劃，決心在太平洋戰場易守為攻，其首要目標也恰恰選定為瓜島。
1942年8月7日，美海軍陸戰隊第1師約17000人輕易攻占了由日軍駐守的瓜島機場等要地。日軍大本營大動肝火，發誓要乘美軍立足未穩之際把他們消滅掉。兩天後，日軍即調集兵力對瓜島實施反擊。當天深夜，第壹次所羅門海戰揭開了瓜島戰役的序幕。日軍低估了美軍登陸部隊的實力，因此不斷增加反擊兵力；美軍也不斷投入重兵，這就使原來想象中的壹場速決戰逐漸演變成為壹場持久戰。由於瓜島爭奪戰非常重要，日本海軍聯合艦隊司令長官山本五十六大將親赴瓜島附近海域坐鎮指揮。9月30日，尼米茲上將冒雨乘坐B-17轟炸機飛抵瓜島，親自視察這場整個戰爭中最殘酷的戰鬥。為爭奪瓜島這壹戰略要地，美日兩國的部隊進行了持續長達半年之久的激烈鏖戰。瓜島這個彈丸之地，成為這場戰爭中血肉橫飛的"絞肉機"，瓜島附近的交戰海域也獲得壹個"鐵底海灣"的雅號。日軍陸續投入並消耗了當時可以調用的所有機動兵力，但最終被迫撤出瓜島。瓜島戰役使日美雙方各損失24艘驅逐艦以上的大型艦只，日軍損失飛機600多架，人員傷亡24000多名；美軍飛機損失不多，但也有5800人傷亡，結果是保住了瓜島這壹戰略要地。
1943年5月，美軍決定沿中太平洋和西南太平洋兩條路線向日軍發動攻勢。中太平洋作戰由尼米茲上將親自指揮，西南太平洋作戰由麥克阿瑟上將指揮，基本作戰模式是逐島進攻。11月，尼米茲上將指揮的中太平洋美軍兵力首先發起對吉爾伯特群島的進攻，日軍在塔拉瓦島展開頑強的抵抗。在這個珊瑚島上，平均每平方公裏就躺著6000具士兵的屍體。戰鬥壹結束，尼米茲上將就登臨塔瓦拉島實地考察日軍設防情況，看到尚未來得及掩埋的大量士兵的屍體，他禁不住說："這是我第壹次聞到死亡的氣息"。鑒於美軍在此受到的重大傷亡，尼米茲上將對美軍下壹步作戰計劃作出重大修改，改逐島進攻為越島進攻，這樣既可以減少部隊傷亡，又可加速戰役進程，收效甚大。
1943年底，以美國為主的盟軍部隊相繼攻占了阿留申群島、吉爾伯特群島、所羅門群島，以及新不列顛島之大部和新幾內亞東南部。至此，太平洋戰場的戰略主動權已落入盟軍手中。為使美軍在進攻中減少損失，尼米茲上將親自選擇了壹個荒島，命令士兵們模擬修築了日軍防禦工事，並派武器專家實地研究克敵良策。在尼米茲上將的精心準備和指揮下，美軍於 1944年2月壹舉攻克馬紹爾群島主要島嶼，美軍以傷亡356人的微小代價，獲得殲敵8122人的顯赫戰績，可見尼米茲上將高超的作戰指揮藝術。
從1944年末到1945年初，尼米茲上將統率中路大軍，會同麥克阿瑟將軍的部隊，攻占了菲律賓群島。接著，尼米茲上將又率領中路大軍浴血奮戰，於6月底攻占了硫磺島和沖繩島，終於砸開了日本的"國門"。
在沖繩島戰役尚未結束時，尼米茲上將就開始著手制訂攻打日本本土的大規模登陸進攻計劃。遺憾的是，這壹作戰計劃未及實施，日本天皇即於8月14日宣布無條件投降；但尼米茲上將終於實現了為珍珠港事件報仇雪恥的夙願。
1944年底，為使美國各戰區總司令的軍銜能與盟國相對應，美國國會制訂了壹項可授予陸軍和海軍將領五星上將新軍銜的法令。12月19日，美軍有4位陸軍將領和3位海軍將領（此時，美國仍未有空軍這壹軍種）被授予此項最高軍銜；來自德克薩斯州深山裏的德國移民後裔的遺腹子尼米茲光榮晉升為海軍五星上將。
1945年9月2日，在美國太平洋艦隊"密蘇裏"號戰列艦上，舉行了盟軍接受日本無條件投降的簽字儀式。在簡短的儀式結束時，天空中雲開霧散，近千架美軍飛機在金色的陽光下呼嘯著編隊飛過"密蘇裏"號戰列艦的上空。在此時，尼米茲上將立即發出早已擬好的向太平洋和美國進行廣播的聲明："今天全世界愛好自由的人們都沈浸在勝利的歡樂之中，並為我們聯合作戰所取得的成就而感到驕傲。我們應該歌頌那些為保衛自由而獻身的人；我們對他們負有壹項莊嚴的義務--保證他們的犧牲將有助於人類創造壹個更美好、更安定的世界。而今，我們著手致力於重建國家和恢復國力的偉大事業。我確信，我們將能夠運用技能、智謀和敏銳的思想來解決這些問題，猶如我們為了贏得勝利曾經做過的那樣。"
為表彰尼米茲上將在太平洋戰爭中的卓著功績，華盛頓方面決定1945年的10月5日為"尼米茲日"；這壹天，尼米茲上將在美國國會參、眾兩院聯合會議上發表了演講："美國擁有全世界最強大的海上力量，不應輕描淡寫地贊許壹通就任其消亡。"他以這樣壹段對和平的祈盼作為演講的結束語："願全世界都能友好相處，但是我們壹定要把橄欖枝紮根在含有優質235鈾礦的肥沃土地上。我認為這不是什麽挖苦話，用我們德科薩斯州山區和海軍的話來說，這是壹句老實話。"
演講後的尼米茲上將乘坐敞篷汽車遊行，華盛頓市***有50萬人上街向五星上將歡呼致意。在白宮，杜魯門總統為尼米茲上將授勛；尼米茲上將謙遜地表示："我們只打了壹場小戰，卻獲得了最高的榮譽。"在稍後的壹系列慶典場合中，尼米茲上將多次特別強調指出："如果沒有強大的海上力量，我們在太平洋戰爭中決不能前進壹步。"
1945年11月，美海軍作戰部長金上將向白宮建議由尼米茲上將接替自己 的職務，並向總統表示，如不任命尼米茲上將為海軍作戰部長，他必須向美國人民作出解釋。11月20日，總統宣布了和平時期高級軍事將領的任命，由尼米茲上將出任海軍作戰部長（美國海軍不設參謀長，其作戰部長是海軍最高的軍事指揮官，相當於陸軍的參謀長）；陸軍五星上將艾森豪威爾同時出任陸軍參謀長。
在12月15日的交接儀式上，金上將說："在把海軍作戰部長的工作交給尼米茲時，我確信會將這個重擔交到優秀而可靠的人手裏。"而繼任的尼米茲上將則重復了自己在1941年出任太平洋艦隊總司令時向記者們說過的話："我身負重任，我當盡力而為！"
海軍作戰部長兩年的任期很快就過去了，尼米茲上將在任期內審批了優先建造核動力潛艇的項目，並發表了壹系列向往和平的文章，他指出："我相信只要存在任何成功的希望，就必須運用外交手段。和平可以獲得，但我們必須具有勇氣、耐心和才智。"
1947年12月15日，尼米茲上將從海軍作戰部長的職位上退休；他在這壹天的日記中是這樣記敘他海軍生涯的終結："我覺得好象如釋重負，凱瑟琳和我似乎剛剛開始生活。我們有壹個兒孫滿堂的美滿家庭，我們怎能錯過這種完滿而愉快的生活呢？"
1966年2月20日，美國海軍五星上將尼米茲在舊金山逝世。在最後的彌留之際，尼米茲上將要求死後葬禮從簡，並把他埋葬在太平洋岸邊的國家公墓裏。因為這位來自深山的海軍上將，希望在公墓裏可以朝夕不停地眺望他曾經創造出蓋世偉業的蔚藍色太平洋。