1907年，完成了海上实习的尼米兹被授予海军少尉军衔，成为一名正式的海军军官。1909年，尼米兹被破格提升为海军上尉，便到潜艇部队任职。他发现潜艇使用汽油引擎十分危险，便提出了改用重油引擎的设想，经过钻研，尼米兹俨然成为一名潜艇动力专家。1912年，应邀到美国海军军事学院作专题演讲。

在第一次世界大战中，尼米兹担任莫米号油船的船长，驾船赴大西洋承担海上补给任务。大战结束后，改任南卡罗莱纳号战列舰的执行官。1922年，尼米兹被提升为上校，并进入海军军事学院深造。毕业后，尼米兹被任命为主力舰队助理参谋长。此后，历任潜艇部队长、后备役驱逐舰部队长、巡洋舰第2分队司令和战列舰第1分队司令等职务，在实践中进一步提高了他的军事指挥才干。1938年7月，尼米兹晋升为海军少将，任海军特混舰队司令官。第二年被任命为海军航海局局长，成为美国海军的高层领导人之一。