在尼米兹级的设计阶段，原本打算规划使用四座功率各45000至50000马力的A3W反应堆，如进一步提升，就能达到8具A2W的总输出（每具A2W达35000马力，八具总出力280000马力）；依照1967年初美国原子能委员会（AEC）致国防部长罗伯特·麦克纳马拉的备忘录，企业号八具A2W反应堆初次装填燃料所需的成本为6400万美元，而四具A3W则只有一半（3200万美元）；而A3W每次装填后的炉心寿命也比A2W增加至少两倍，理论上可将服役生涯重新装填燃料的次数减半。

基于战术性能上的考虑，当时主管美国海军反应堆办公室（Naval Reactor，NR）的海曼·黎高弗（Hyman Rickover）认为采用四具反应堆是较为安全的设计，万一一具反应堆发生故障，仍有三具反应堆可用，维持75%的输出；如果只有两具反应堆，一但一具反应堆失效，航空母舰的总功率就只剩50%。但在罗伯特·麦克纳马拉的坚持下，仍确定尼米兹级使用双反应堆构型；如此，每具反应堆必须输出高达130000马力的功率，才能接近八具A2W的总出力，这对海军反应堆办公室以及相关实验室、厂商而言是一个巨大的挑战。

最后，尼米兹级使用两具功率各130000马力的A-4W反应堆，总功率260000马力，低于企业号和小鹰级的280000马力，加上尼米兹级的船型比企业号稍宽，导致阻力增加，使得尼米兹级的最高航速降至30到31节，低于先前的企业号（35节）或采用传统动力的小鹰级、福莱斯特级（约33节），是二次大战以后美国海军最慢的航空母舰；然而，由于C-13-1弹射器功率强劲，尼米兹级对于利用全速航行制造甲板风的需要也降低不少，因此最大航速的降低并不影响起飞性能。此外，A4W更换铀燃料棒的频率比A2W更低，达到13年，意味着尼米兹级具有更好的寿期成本效益（更换燃料棒是件费时费钱的大工程）。

由于反应堆数量大幅减少，尼米兹级腾出了更多舰内空间来搭载航空燃油与弹药，例如JP-5喷气式发动机用燃料的搭载量从企业号的250万加仑增为270万加仑，航空弹药携带量从企业号的1800吨大增至2970吨；整体而言，尼米兹级的整体航空相关容量为1.5万吨，比企业号增加将近50%，比小鹰级增加将近80%。因此，尼米兹级的设计虽然稍微牺牲了航速，但整个航空作业能量提高不少，堪称十分成功的设计。为了预防核推进系统失效，尼米兹级四个大轴各配备一个功率8000KW的柴油机当作应急主机。

尼米兹级的飞行甲板与后期型小鹰级航空母舰肯尼迪号（USS J.F.Kennedy CV-67）相同。斜角飞行甲板长238米，斜角甲板与船体中心线夹角9.5度，比先前几型美国航空母舰稍低，理论上能让船首进行起飞作业的同时，由斜角甲板区进行降落回收（不过并不实用）；尼米兹级配置四具C-13-1蒸汽弹射器以及由四组拦阻索构成的MK-7飞机降落拦阻系统（为了节省预算，尼米兹级没有使用企业号的最新型MK-7-3拦阻索系统），以及四个长21.3米、宽15.8米、表面积374平方米、自重105吨、载重47吨的大型侧舷升降机，其表面材料是钢板覆盖铝合金，采用焊接成形。

相较于先前肯尼迪号航空母舰采用三具标准型C-13与一具加长型的C-13-1，尼米兹级则在武器局（BuWeps）的坚持下，四个弹射器都使用低蒸汽压力并附带蒸汽回收器的加长型C-13-1弹射器 ，蒸汽压力大幅降至520psi（前两艘小鹰级与企业号的标准型C-13蒸汽压力为900至1000psi），这是由于采用两具A4W反应堆的尼米兹级总输出功率逊于先前的企业号和小鹰级，降低弹射器的蒸汽压力较能匹配；由于轨道行程增长，尼米兹级的低压版C-13-1的弹射性能仍优于先前几型航空母舰的高压版标准型C-13，仅略逊于CV-66、67的高压版C-13-1，而降低蒸汽压则能使系统寿命和可靠度增加。

尼米兹级的C-13-1的轨道总长度为99.01米，最大弹射行程为94.49米（309尺8英寸），往复行程为95.97米，能让34吨重的飞机加速至185节的起飞速度，足以让F-14战斗机与E-2空中预警机起飞。四具蒸汽弹射器使每次弹射能让四架飞机整备就位，并在30秒内将四架飞机轮流弹射升空；在作战条件下，理论上四具弹射器能以平均每分钟2架的速率将所有舰载机弹射升空，不过由于蒸汽弹射器会消耗推进系统产生的蒸汽，当尼米兹级以30节速率开始弹射，连续高速弹射8架飞机之后航速会降至22节，必须暂停弹射作业等待锅炉蒸汽压力恢复再继续弹射。

前两艘尼米兹级配备三套BPDMS系统，每套由一个MK-25八联装防空导弹发射器以及一个由人工操作的MK-71雷达/光学瞄准平台控制构成；后续舰则改用三套改良型点防御导弹系统（IPDMS），包含MK-91火控雷达与MK-29轻量化八联装发射器，此外并加装四门MK-15 CIWS。前两艘尼米兹级在翻修时也换装了IPDMS、MK-15与MK-91，但MK-15只装三具。尼米兹级都装设完整的海军战术资料系统（Naval Tactical Data System，NTDS）以及反潜目标鉴定分析中心（Anti-Submarine Classification and Analysis Center， ASCAC）。

反潜目标鉴定分析中心可迅速让航空母舰本身、反潜护航空母舰艇与护航空母舰队快速分享统整彼此获得的资料。侦测方面，尼米兹级舰桥顶部设有一座AN/SPS-48E三维对空搜索雷达，舰岛后方设有一座独立桅杆，顶部装置一座AN/SPS-49长程对空搜索雷达（之前企业号将AN/SPS-48与AN/SPS-49都设置在舰岛上，SPS-48在前，SPS-49在后），主桅杆顶部设有一座AN/SPQ-9A追踪雷达。

尼米兹级能在开战首日上半天出动120架次，在开战前四天保持每日230架次的出勤率；以上数字系以两波机队间隔90分钟、作战半径为200海里以内为准；然而如果进行远距离攻击或战斗巡逻，由于装弹量与加油量增加，作业时间延长，因此实际出动架次将低于这个数字。在1997年，尼米兹号曾在一次演习中达成四天内出动771架次、平均每日出动193架次的成绩。在后冷战时代的实际任务中，尼米兹级平均每日能出动100至140架次的空中兵力，相当于许多中小型国家空军每日能出动的架次。在2002年阿富汗战争中，参战的尼米兹级平均出动率约为每日90~100架次，2003年攻打伊拉克战争则是平均每日120~130架次。

随着美军制导武器日益精进普及，海军航空队每架攻击机的攻击效率都大幅增加。在1989年时，一艘美国航空母舰的舰载机联队一天能攻击162个瞄准点，当时A-7攻击机每次能攻击一个瞄准点；在2001年时，一个美国航空母舰战斗攻击机联队每日能攻击683个瞄准点，2002年阿富汗战争时，美国海军航空队F/A-18C战斗攻击机平均每次出击能攻击2个瞄准点。在2010年时，每个航空母舰舰载机连队每日能攻击1080~1200个瞄准点，每架F/A-18C/E每次出击能攻击四个瞄准点。

尼米兹级非常重视防护与损管能力，甲板与舰体采用高强度高张力钢板以提升存活率，从舰底到飞行甲板都采用双层舰壳，内、外层舰壳之间以X型构造连结，外层舰壳与舰壳间的X型构造能吸收敌方武器命中时造成的冲击能量，降低对舰体内部的破坏。内层舰壳在重要舱室部位设有76~127毫米不等的钢质装甲，并构成一个完整的箱型结构，舰体划分了两千多个水密舱区，舰内总共设有23道横向水密隔舱壁与10道防火隔舱壁，水线以下有4道纵向防雷舱壁，并大量装备先进灭火系统。尼米兹级维持与过去美国航空母舰相同的两个主弹药库设计，不过两个弹药库都远离主机舱区。

此外，过去美国在二次大战后建造的航空母舰的机库以一道位于中央的防火舱壁分隔为前、后两区，而尼米兹级则恢复二次大战时代美国航空母舰使用两道防火舱壁将机库分为三个隔间的设计，如此不仅能提供更好的抗损性能，而且也能强化对飞行甲板的支撑。综观以上，尼米兹级的防护设计相当优越，抵抗战损的能力比二次大战的美国主力航空母舰埃塞克斯级（Essex class）高出三倍以上。

1978年，在主管美国海军核动力系统的海曼·黎高弗以及海军航空派和其国会支持者运作之下，美国国会提出在1979财年订购第四艘尼米兹级（CVN-71），最后由于无法跨越国会席次2/3的门槛而遭到卡特总统否决。到了1979年，由于伊朗人质危机爆发，核动力航空母舰能长时间维持在海外部署、发挥强大战力的优势展现无疑，因此美国国会再度于1980财年的国防预算中提出建造CVN-71时，卡特总统已经无法运用总统否决权推翻，只好照国会要求编列，成为罗斯福号（USS Theodore Roosevelt CVN-71），也是第二批尼米兹级之首。1980年亟欲重振军威的里根上台后，为了达成其提出的“海军舰艇600艘”之目标，在其任内大举建造尼米兹级航空母舰，在1982年一举订购二艘（CVN-72、73）。

第二批尼米兹级在设计上做了不少改良，包括采用模块化建造以降低成本、在侧舷增加了63.5毫米厚功凯夫勒装甲、加装箱型掩体来保护弹药库与机舱、炉心寿命由原本13年提高为15年、取消飞行甲板前方的钢缆回收器等，满载排水量增至97000吨；日后第一批尼米兹级在回厂翻修时也追加了上述改良工程，并陆续拆除钢缆回收器。在1986年，老罗斯福号加装了ACDSBlock 0战斗系统，这是NTDS海军战术资料系统的全面升级重建版本。

后续建造的尼米兹级的防护能力不断加码，从林肯号（CVN-72，1989年服役）之后的本级舰进一步强化舰面飞行甲板下一层的甲板，满载排水量增至102000吨，成为全世界第一艘排水量突破10万吨大关的航空母舰，从六号舰华盛顿号（USS Washington CVN-73）起又在舰岛追加破片防护装甲。不同于前四艘尼米兹级是单独订购，第五、第六艘尼米兹级是在1982年12月27日一起订购，这是因为同时间的大量采购能压低单位成本，较长时间个别采购相同数量更为划算。

随后里根总统在1988年6月30日一起第七、第八艘尼米兹级（CVN-74、75），这是美国海军在冷战结束前订购的最后两艘尼米兹级。这两艘尼米兹级改用更新型的燃料棒，每次更换的持续运作时间高达23年，能缩减服役寿期更换燃料棒的次数约一半。而为了降低施工程本，从七号舰约翰·斯坦尼斯号（JohnC.StennisCVN-74）起，美国海军开始在舰上采用新开发的高强度、低合金（High Strength Low Alloy，HSLA）钢板的HSLA-100钢材，此种钢材被要求强度与韧性和过去HY-100高张力钢板（屈服强度约100ksi，约690MPa）相当，但施工复杂度与成本都可以降低，省略原本HY-100需要的预热程序。

尼米兹级核动力航空母舰是有史以来建造的最大的军舰，该级CVN72～CVN76满载排水量达102000吨，舰长332米。

冷战结束后，美国的国防预算遭到删减，尼米兹级的建造工作也随之放缓。在1994财年，美国订购CVN-76，1998才年又订购CVN-77，成为最后两艘尼米兹级。由于这两舰的订购间隔增大（CVN-76于1994年12月8日订购，CVN-77则在1998年9月3日订购），加上美国海军已经开始规划下一代的核动力航空母舰（CVNX，后来改称CVN-21），因此CVN-76与77各有相当程度的设计改良。第九艘尼米兹级的CVN-76被命名为罗纳德·里根号（USS Ronald ReaganCVN-76），在2001年3月4日下水，2003年7月服役，取代了2003年8月退役的小鹰级航空母舰星座号（USS Constellation CV-64）。

第十艘，也是最后一艘尼米兹级（CVN-77）的建造计划历经多次变更：美国海军最初打算大幅修改CVN-77的设计，舰岛、电子系统、弹射器、动力系统与武装等等都将重新设计配置，作为美国海军下一代的CVN-21福特级核动力航空母舰的装备验证舰，变动幅度之大足以使CVN-77从尼米兹级中独立出来自成一格。2002年12月，美国海军正式将CVN-77命名为乔治布什号（USS George H.W. Bush），以纪念1990年带领美国打赢波斯湾战争、当时仍健在的老乔治·布什总统。乔治·布什号以尼米兹级的舰岛为基础，缩小体积并将外观简洁化，换装新的桅杆，此外加装相控阵雷达。

与先前的尼米兹级相较，里根号有不少改良，首先是舰岛设计变更，设计工作首度应用3D数字模型技术，舰桥右侧向舷外大幅伸展，使右舷的警戒能力增加，CVN-77与之后的CVN-21也沿用此项设计；此外，原本位于舰岛后方的独立桅杆取消，改成一座与舰岛整合的塔状桅杆。而原本位于后桅杆上的SPS-49雷达改置于舰岛后部上方，而原本位于主桅杆顶的AN/SPQ-9A追踪雷达则被更新型的AN/SPQ-9B取代。由于舰岛平面容积增加，里根号的舰桥也比先前尼米兹级少了一层，例如原本位于10号甲板的塔台与信号甲板，在里根号上为09甲板。

原本尼米兹级便拥有球鼻舰首，而里根号则采用新设计的球鼻舰首，比原本更大更突出，除了可减低航行阻力之外，更可增加舰首的浮力，降低舰首的纵向摇晃，进而使舰载机起飞作业更加顺利；采用新球鼻后，里根号的三部蒸汽弹射器同时弹射飞机时，舰首也不至于下沉。里根号舰内加装整合指挥网络（ICAN），是美国海军第一艘实现网络化的航空母舰；ICAN将舰上推进与航行控制装备、导航、通讯等相关系统以及舰内所有部门工作站都连结在一起运作，大幅提高指挥管制的效率。

里根号采用MK-7 Mod4降落拦截系统，其拦截索由以往的四组减为三组，这是基于以往的操作经验，通常第四组拦截索都派不上用场，而省掉一组拦截索就能节省不少人力、维修工时与空间；此外，在相同空间内减少一组拦截索，意味其余三组能制造得更粗壮耐用，这对于着重于武器携回能力的美国海军舰载机队而言十分重要——飞机降落时重量越重，所需要的拦截索就必须更坚固耐用；不过许多美国海军飞行员表示，取消第四组拦截索之后，降落作业比以前缺乏安全感，难度也提高。里根号的飞行甲板也经过修改，宽度比以往的尼米兹级略增，斜向甲板前端曾宽加长，其轴线与航空母舰中心线的夹角增加到10度。

CVN-77布什号以新型RA米拉姆短程防空导弹取代原有的密集阵近程防御武器系统，CVN-77的舰体规格、作战、感测、飞行甲板配置与武器系统等大致上都将沿用自里根号，并依照“网络化”作战而进一步精进；CVN-77相较于先前尼米兹级有相当程度的改进，隐身方面包括将舰岛小型化与简洁化、飞行甲板边缘采用弧形造型等，可降低雷达截面积；提高舰上自动化程度，降低人力需求；此外，也大幅变更舰内的航空燃油储存/分配系统，以提升安全性。CVN-77也会是美国海军第一艘装备新开发的联合精确进场着陆系统的船舰，在2012年安装并开始测试。

乔治·布什号也采用若干准备用于日后福特级的新设备，例如新一代使用航天飞机绝热材质制造的折流板来取代以往由平面钢板制造、内含复杂冷却水管的旧式折流板，无论体积、重量与复杂度工作都大幅减低，几乎不需要维修工作，而舰上也使用名为“人力扩充技术”（HAT）的液压挂弹起重机来取代过去的人工挂弹作业，只需要1人操作（过去每个班队要编制9人）。乔治·布什号其余的主要基本规格沿袭自里根号，包括为桅杆设计、球鼻型舰首等，至于舰上的锚与锚链则从已除役的福莱斯特级航空母舰独立号移植而来。不过相较于里根号，老布什号的细部设计还是有若干改良，最明显之处就是主桅杆设计。

参考资料

1981年5月26日夜间，尼米兹号在佛罗里达外海60海里处的大西洋进行作业；当时一架EA-6B电子战飞机进行夜间着舰，着舰后笔直冲向停放在飞行甲板前部右侧的飞机，首先撞毁一架SH-3直升机的尾旋翼，然后撞上停放此处的三架A-7E攻击机、一辆调度拖车以及三架F-14A战斗机，立刻引发大规模爆炸起火；撞毁燃烧的F-14A战斗机上的凤凰导弹、麻雀导弹与响尾蛇导弹亦发生多起诱爆，对冲入火场的损管消防人员造成重大杀伤。大火在半个小时以后被扑灭，总共造成14人死亡、48人受伤，肇事的EA-6B与两架停放的F-14A全毁，三架F-14A严重受损，四架A-7报废，另外还有10架飞机与一架直升机受到不同程度的波及，整体损失达1.4亿美元。

事后调查指出肇事EA-6B的飞行员违反规定服用抗组织胺药物，可能导致精神与协调性受损，以致于降落作业中摇晃不稳、终至酿祸。此外，由于辅降系统没有完整运作，加上天候气象因素，使得尼米兹级的航空管制人员在该机第二次降落时，未能及时察觉偏离航道。尼米兹号当时夜间辅降系统的大部分灯光都是熄灭的，以致于指引功能大受影响，六名航管人员也被发现擅自吸食大麻而影响值勤能力；尼米兹号当时的损管系统也不能发挥完整作用，舰上18个消防泵中只有12个正常工作，损管系统的故障也导致现场损管人员无法在第一时间与控制中心取得联系。

1981年8月，美国海军首次进行里根政府提出的前进部署战略的演习，称为NorthSwordmagic。在此演习中，艾森豪威尔号航空母舰的战斗群向苏联军力核心地带的摩尔曼斯克的可拉半岛前进，渡航过程中严格实行射频辐射控制（EMCON）来避免被苏联的海洋监视系统（SOSS）的被动截收装备探测到。艾森豪威尔号的战斗群沿着距离挪威北岸10个经度的航向朝巴伦支海前进；艾森豪威尔号战斗群一直前进度北纬70度以北，东经15度以东的位置，前沿的护航编队（包含一艘巡洋舰、三艘护卫舰）才被一架沿着固定航向的苏联长程侦察机发现。

苏联立刻动员对应这个迫近的目标，动员大批图-95与图-16轰炸机前往），并在8月24日发射一组海洋监视卫星进入轨道，试图掌握美国航空母舰战斗群的精确位置，结果在美国强大的海空电磁干扰和舰载机拦截下，苏联轰炸机均未进入反舰导弹发射阵位。这可能是因为苏联各种空载、陆基远程主/被动电磁波探测手段很容易被航空母舰战斗群前沿的水面舰艇或CAP空中战斗巡逻以电子干扰压制，但这也可能只是和平时期苏联隐藏实力的作为。

1982年8月19日，在利比亚附近美国海军尼米兹号航空母舰的F-14A战机在舰上E-2C预警机的制导下，于利比亚海岸以外80公里锡德拉湾上空击落两架企图接近美国舰队的利比亚苏-22攻击机，这使得已经紧张的美国、利比亚关系更行恶化。这也是F-14服役后的第一次实战纪录。

1998年年底，尼米兹号与企业号曾参与对伊拉克进行的“沙漠之狐”（Desert Fox）行动，作为伊拉克拒绝接受联合国检查核生物武器销毁进度的惩罚；行动期间，两艘航空母舰对伊拉克进行大规模空袭，目标是巴格达周边的可疑军事设施、电台、电视台、油库、交通设施等等。从12月16日夜间到12月20日，美国海军总共出动超过三百架次的攻击机，投掷超过330吨弹药在伊拉克，并发射了超过300枚战斧巡航导弹。

在1990年8月2日伊拉克占领科威特之后，美国总统布什随后便启动“沙漠之盾”（Desert Shield），开始在波斯湾集结强大的兵力；之后，第一个反应的就是部署在印度洋的独立号（USS Independence CV-62）航空母舰，以及部署在地中海的本级舰艾森豪威尔号（CVN-69）；其中，独立号的战斗群在8月7日抵达安曼湾，随即展开对伊拉克南面的海空封锁，而艾森豪威尔号则穿过苏伊士运河进入红海，在8月8日完成对伊拉克北面的部署。同年11月8日，布什总统宣布向波斯湾增派包括三艘航空母舰，包括尼米兹级的四号罗斯福号（CVN-71）、福莱斯特级的游骑兵号（USS Ranger CV-61）以及小鹰级的美利坚号（USS America CV-66）。

1991年1月17日，收复科威特的沙漠风暴行动打响，此时美国海军在波斯湾地区总共有六个航空母舰战斗群，部署在波斯湾的有中途岛级的中途岛号（USS Midway CV-41）、游骑兵号以及罗斯福号，部署在红海的有福莱斯特级的萨拉托加号（USS Saratoga CV-60）以及小鹰级的美利坚号和肯尼迪号（USS John F. Kennedy CV-67）。在“沙漠风暴”战役期间，罗斯福号平均每天昼夜都派出超过150架次的飞机，在一个多月的空袭中击毁或重创伊拉克数十个目标，本身最后没有一架飞机战损。

2001年9月11日911恐怖袭击发生之后，罗斯福号在9月19日随即奉命前往阿富汗，并在随后参10月7日展开、目标是阿富汗塔利班政权的持久自由行动，任务期间平均每日出动60~80架次，并创下连续5个月没有在任何军港下锚、在海上持续航行作业153天的纪录。随后美国将矛头转向伊拉克，老罗斯福号与杜鲁门号（USS Harry S.Truman CVN-75）、林肯号（CVN-72）、华盛顿号（CVN-73）以及小鹰级的小鹰号（USS Kitty Hawk CV-63）与星座号（USS Constellation CV-4）又参与了2003年3月20日展开的伊拉克自由行动。

2013年5月14日，波音的X-47B无人舰载机成功地从乔治·布什号（USS George Bush CVN-77）上首度弹射升空，这是攻击型无人飞行载具首次在美国航空母舰上弹射升空的纪录。同年7月10日，X-47B也在乔治·布什号缔造了无人舰载机第一次降落于航空母舰的纪录。

2021年11月11日据美国《基萨普太阳报》报道，不久前刚完成大修的美国海军“尼米兹”号航空母舰，在首次出海试航期间遭遇推进装置故障，不得不返回普吉特湾海军造船厂。

美国海军2023年1月27日宣布，“尼米兹”号航母（CVN-68）所在的航母打击大队（CSG）在访问新加坡10天后于1月26日离开新加坡，目前已再次返回地区南海。这是“尼米兹”号航母时隔两周以后再次前往南海，此前1月13日，“尼米兹”号航母在前往新加坡的过程中仅仅在南海待了2天时间。

2023年3月27日，韩国国防部表示，美国“尼米兹”号核动力航空母舰（CVN-68）领衔的第11航母打击群将于28日驶入釜山作战基地。