普林斯顿号的油箱泄漏需要对汽油系统进行额外的改造和重新测试，并推迟了1943年3月28日的初步海上试验。普林斯顿在接下来的几周内接受了训练。5月1日，亨利·L·米勒中校指挥的第23战斗中队，在阿拉斯加州费尔班克斯完成了舰载机的资格认证。该中队于1942年11月16日在宾夕法尼亚州威洛格罗夫海军预备役空军基地（NRAB）成立。1943年4月14日，富兰克林·D·罗斯福总统视察了第23舰载机大队，这是他们训练期间的一个亮点。

普林斯顿号完成了训练工作，并于1943年5月18日报到。该船随后（5月28日至7月3日）启程前往加勒比海特立尼达附近的帕里亚湾，开始试验巡航以获得作战航母资格。第23舰载机大队的每个飞行员在两种类型的战斗机上都至少有30次降落，其中包括在F6F地狱猫战斗机上的两次夜间甲板降落。5月20日，米勒中校驾驶的一架F4F战斗机（野猫）在着陆时撞上障碍物，造成一根或多根拦阻线断裂，无法修复。该船随后将野猫号转移到第21舰载机服务分队。

1943年7月15日，普林斯顿被重新划归为轻型航空母舰（更改舷号为CVL-23），随后（7月21日至8月9日）第23舰载机大队加入该舰，第23飞行中队用12架F6F地狱猫战斗机取代了F4F战斗机（野猫）。该舰并与贝劳森林号航空母舰（CVL-24）一起出海登上航程，在太平洋与日军作战。两艘航母沿着东海岸疾驰而下，普林斯顿号起飞地狱猫号进行空中巡逻，并穿越加勒比海。两船于7月26日抵达巴拿马运河，在那里与列克星敦号航空母舰（CV-16）会合。三艘航母通过运河，两天后将船头向西转向夏威夷水域。

太平洋舰队于1943年8月7日向三舰发出了对瓦胡岛（美军）进行模拟攻击的计划，以确定防御者的警觉。第五舰队副司令雷蒙德·斯普鲁恩斯（Raymond a.Sprunce）上将下令采取行动的时候，普林斯顿号到达。这是盟军向日本本土岛屿进攻的一部分。因此，独立号航空母舰（CVL-22）和普林斯顿号运送海军建筑营士兵（海蜂）和第七空军的士兵。第七空军占领了埃利斯群岛（图瓦卢）（1943年8月18日至28日）的Nakufetau和Nanomea。水兵们立即开始在岛上修建机场，以支持进一步的战斗，普林斯顿回到珍珠港。

普林斯顿号25日出动第11特遣部队，前往吉尔伯特群岛（基里巴斯）以东的贝克岛。特遣部队打算让陆军第804航空营登陆占领该岛并建造机场，后方的小威利斯·奥古斯塔斯·李上将指挥的旗舰“大力神”号是一艘为此目的改装的货船。阿瑟·威廉·雷德福少将在普林斯顿号升旗，指挥第11.2特遣部队，该特遣部队还包括贝劳森林号，并提供日间空中掩护。

1943年9月8日13时左右，第23飞行中队经历了一次战斗洗礼。两家地狱猫战斗机巡逻时发现并击落了日军的艾米丽号水上飞船。在1943年9月14日完成任务后，普林斯顿与第15分队的少将查尔斯·鲍纳尔会合，在吉尔伯茨（Gilberts）对塔拉瓦（Tarawa）、马金（Makin）和阿贝玛（Abemama）进行了一系列突袭（9月18日至19日），以减少日本对占领埃利斯群岛的压力。

之后特遣部队返回珍珠港，普林斯顿号的飞行中队前往福特岛的珍珠港陆军航空站，12名飞行员返回了他们的母中队。1943年10月中旬，普林斯顿号驶往新赫布里底群岛（瓦努阿图）的埃斯皮里图桑托岛（Espíritu Santo），并于20日加入了第38特遣队，指挥官弗雷德里克·卡尔·谢尔曼少将。拥有第12舰载机大队的萨拉托加号航空母舰（CV-3）与普林斯顿号加入第50.4号救援航母编队，并参加了“车轮行动”（Operation cartweel），盟军计划在俾斯麦群岛的新不列颠岛上向巴布亚新几内亚前进。

谢尔曼少将指挥航空母舰于1943年11月1日对布卡海峡对面布卡北部所罗门群岛的日本机场和设施以及布干维尔半岛上同名的博尼斯出动飞机。从普林斯顿号起飞的飞机轰炸并扫射了博尼斯的机场、高射炮和地面设施。第二天，萨拉托加号和普林斯顿号对敌人的机场进行了两次协同打击。普林斯顿的飞机轰炸了博尼斯的防空阵地并对其进行了斜射，击倒日本士兵，并点燃了储存在跑道边上的航空汽油桶。第12轰炸中队的SBD-5s型SBD无畏式俯冲轰炸机和第12飞行中队的TBF-1s、TBF-1Cs型TBF复仇者式鱼雷轰炸机从萨拉托加号起飞，第23飞行中队的TBF-1s鱼雷轰炸机从普林斯顿号起飞，袭击了日本船只和海岸炮台。美国人损坏了五艘日本重型巡洋舰。

1943年11月5日，萨拉托加号的第12飞行中队和普林斯顿号的第23飞行中队的F6F-3s地狱猫战斗机穿过日渐凋零的防空火力和敌人纠缠，击落了10架敌机。

1943年11月11日8时30分，阿尔弗雷德·蒙哥马利少将指挥的邦克山号航空母舰（CV-17）、埃塞克斯号航空母舰（CV-9）和独立号，和谢尔曼的特遣队，对巴布亚新几内亚发动了第二次攻击。萨拉托加号和普林斯顿号到达布干维尔西北部离绿岛不远的一个位置。

鲍纳尔率领第50特遣部队对吉尔伯特群岛的日军进行的两天（11月18日至19日）的空袭。邦克山号，企业号（CV-6），埃塞克斯号，列克星顿号，萨拉托加号，约克城号（CV-10），贝劳森林号，科本斯号（CVL-25），独立号，蒙特利号（CVL-26），普林斯顿号组成的八艘护航母舰队掩护突击船的接近和降落。

1944年1月3日，越来越老练的军舰向西驶去，在珍珠港重新加入了海军少将马克·米切尔（Marc A.Mitscher）的第58快速航母分队（原第50分队），该分队包括邦克山号、企业号、埃塞克斯号、无畏号（CV-11）、萨拉托加号、约克城号、贝劳森林号、卡伯特号（CVL-28）、科本斯号、兰利号（CVL-27）和蒙特利号。八艘护航航母的飞机进行掩护和反潜巡逻，侦察机协助海军轰炸。1月31日，海军陆战队士兵在夸贾林环礁和马朱罗登陆。

普林斯顿号回到埃尼威托克岛附近海域（1944年2月10日至13日），舰载飞机在那里为登陆部队袭击了海滩。飞机从普林斯顿号的飞行甲板起飞118架次，投下23吨炸弹，并在扫射攻击中发射了13000发机枪弹药。两个快速航母编队在埃尼威托克岛以西作战，以压制日本有能力保卫环礁的空军和海军。这些行动使马绍尔群岛战役的第二阶段得以提前于5月10日的计划日期，在“捕鲸杆行动”期间夺取了埃尼威托克。普林斯顿号于1944年2月15日从罗伊的锚地出发，登舰的两个中队包括25名地狱猫飞行员和12名复仇者飞行员。

普林斯顿号以在服役的第一年里航行70701英里，发动了44次空袭，向敌人投掷了44万磅炸弹和鱼雷作为纪念服役一周年的记录。航母继续战斗到28日来到马朱罗，在那里停泊（3月1日至16日），然后转移到埃尼威托克岛，补充给养和举行航母资格降落仪式。

副司令米切尔上将率领第58特遣部队的11艘航母参加了3月30日开始的一系列攻击。计划人员打算进行这些打击，以消除日本反对在新几内亚北部的霍兰迪亚登陆，并为未来的战斗收集摄影情报。从普林斯顿起飞的飞机投掷了11.5吨炸弹。突袭行动一直持续到1944年4月1日，共造成157架日本飞机被毁，击沉了若竹型驱逐舰、明石号防护巡洋舰、戈苏丸号飞机运输舰和38艘其他船只，损坏了4艘船只，并向敌人封锁港口约6周。

米切尔的第58特遣部队随后支援了陆军I军团在新几内亚北部海岸的艾塔佩和塔纳迈拉湾（迫害行动）和洪堡湾（鲁莽行动）的进攻。普林斯顿和她的护卫队在1944年4月13日再次出击，21日，五艘重型和七艘轻型航母通过恶劣天气对霍兰迪亚、萨瓦尔和瓦克德附近的日本机场发动了初步打击。航母在5月1日对波纳佩（Pohnpei）发动了进一步的突袭，声称摧毁了空中30架日本飞机和地面103架日本飞机。普林斯顿共出动548架次，投下29吨炸弹，用22000多发机关枪子弹炸毁敌人的设施（4月14日至5月3日）。

1944年6月11日，普林斯顿号在加入第58特遣队上的航母打击群，当时派出“地狱猫”号在塞班岛对日军进行歼击。第二天，该船开始对关岛、罗塔岛、天宁岛、异教徒岛和塞班岛（6月12日至18日）的敌人进行一系列连续突袭。普林斯顿号的飞机在1944年6月15日袭击塞班岛时支援了海军陆战队和士兵。1944年6月19日整日，第58特遣部队击退了日本的空袭，并在随后的菲律宾海战中屠杀了他们的飞机，海军飞行员称之为“伟大的马里亚纳火鸡射击”。

回到马里亚纳群岛后，普林斯顿号从1944年7月12日开始再次袭击异教徒岛、罗塔岛和关岛，然后在埃尼威托克岛（7月9日至14日）补充兵力。7月14日，当航母返回其中队，为马里亚纳人提供攻击和占领关岛和天宁岛的空中掩护。1944年8月2日，部队返回埃尼威托克岛，普林斯顿号补给、维修并修理锅炉，同时直到29号停泊在那里。

普林斯顿回到了对菲律宾日军的攻击行列，当时参加了对吕宋的一系列打击，集中在克拉克岛和尼科尔斯菲尔德（1944年9月21日至22日）。21日上午，巴德沙尔率领从贝劳森林号、卡伯特号、卡本斯号、兰利号、蒙特利号、普林斯顿号和圣哈辛托号起飞的48架战斗机进行了首次扫荡。

1944年10月12日至14日，部队袭击了台湾和澎湖列岛上的船只、机场和工厂，击沉了22艘船只。船只在离岛屿不同的距离航行。普林斯顿号还起飞了执行照相侦察任务的飞机，并获得了有关敌军和阵地的宝贵情报数据。航空母舰在没有干扰的情况下向高空发起攻击，但即便如此，空袭也招致了日本的猛烈空中反击。

1944年10月14日，航母对吕宋岛北部发动了第二次突袭，第二天又对马尼拉地区进行了一次扫荡。这些空袭总共摧毁了约438架日本飞机和366架地面飞机，加上其他战斗，有效地清除了在莱特岛降落的空域。这次突袭促成了莱特湾战役。

普林斯顿号和第38特遣队在吕宋岛附近巡航，为了防止日本陆基飞机攻击集结在莱特湾的盟军船只，该舰向那里的机场派遣了飞机。任务组包括四个航母：埃塞克斯号，列克星顿号，兰利号和普林斯顿号。

1944年10月23日和24日夜间，任务组驶向马尼拉以东约150英里的位置。从那时起，航母整夜为飞机加油和武装，并为他们的三项任务做好准备：第一，派出战斗机横扫马尼拉；第二，在菲律宾线以东约300英里处进行空中搜索；第三，提供护航伞和反潜巡逻。普林斯顿在5时20分敲响了总指挥部的警钟，并准备好了物质条件。

持续不断的攻击激起了日军的反击，敌机在1944年10月24日拂晓前侦察了编队，并从克拉克岛和尼科尔斯菲尔德向舰艇派出了大型攻击群。

1944年10月24日9时38分，普林斯顿上空突然出现了一架日本飞机，初步确认为D4Y1 2型彗星式轰炸机。当飞机俯冲到1500英尺的高度时，普林斯顿号转向20°左舵开火，飞机释放了两枚550磅的炸弹。第一次没有击中，在船上溅起水花，但第二次击中了电梯之间，距离中心线约15英尺，击中飞行甲板的第98框架处。炸弹穿过飞行甲板的中部，留下一个直径在14到16英寸之间的洞，穿过机库甲板上的复仇者轰炸机，穿过机库和主甲板，在第二层甲板正上方引爆。爆炸引起船只起火，由于通讯问题，火势被错误报告，造成消防指挥不当。

1944年10月24日9时50分将船转向，使左舷船头的风向约为45°。两分钟后，谢尔曼指定里诺号、凯辛杨号（DD-793）、盖特林号（DD-671）和欧文号（DD-794）待命救援受损的普林斯顿号，而任务组的其他人员继续执行任务。七分钟后，其他船只驶离了附近，在接下来的几分钟里，巡洋舰和三艘驱逐舰开始保护性地盘旋在普林斯顿号周围。

尽管普林斯顿号消防队员尽了最大努力，大火还是迅速蔓延，并于9时53分吞没了飞机库。在几分钟内，尾部的消防总管就失去了压力，尽管除了后机舱的高压空气管线破裂外，工程舱内的机械设备没有出现紊乱。9时56分，驾驶室的操舵失败，船转向后控制。四分钟后，谢尔曼命令伯明翰号（CL-62）舰长托马斯·英格利斯（Thomas B.Inglis）指挥营救航母的工作。

10时02分—10时20分，汽油蒸汽在普林斯顿机库的一系列猛烈爆炸中引爆了一些鱼雷弹头。第一次爆炸把人炸飞，把后面电梯旁边左舷的一些持枪的人也炸飞了。由于高温点燃了机库里飞机上的汽油罐，燃烧的燃料助长了大火。机关枪中的弹药和储备量的弹药开始爆炸，并加剧了混乱。普林斯顿号的机库在10时03分发生了第二次大爆炸，两分钟后又发生了一次非常严重的爆炸，导致与1号机库并排的飞行甲板破裂，并将前面的电梯吊起，使其处于倾斜位置。10时10分命令进行第一阶段的打捞控制，指挥490名士兵留在后面灭火，并配备高射炮，以防敌人再次攻击，而其余的船员则在甲板下站稳，爬上甲板弃船。

不断收到的敌机报告促使里诺号集中精力进行防空防御，以保护与熊熊烈火战斗的航母和其他船只。该巡洋舰因此转向其中一次突袭的方位，10时19分至26分向从右舷射程3000码接近的日本低空飞行飞机开火击落了两架飞机。

10时20分，储存在航母备妥储物柜中的弹药开始燃烧。船长下令进行第二阶段的打捞控制，这意味着炮手们也加入了出逃的行列。这项指令本应留下约240人在船上，主要由修理队和工程水手组成。然而，后者中的大多数已经从船的后半部分被迫下船，由于通讯困难，船上的船员收到了弃船的错误命令。结果，更多的人放弃了普林斯顿号，而不是最初打算的两个阶段。当船长和他的军官们意识到这一情况时，他们命令船上的所有人员无论级别高低都留下来。

风速和烟雾强度阻止了背风（右舷）侧的有效灭火，只有向风（左舷）侧为消防员提供机会。里诺号试图在11时05分靠边滑向右舷，但高温和烟雾使其位置无法在下风口。11时15分，里诺号瞭望员看到一架三菱A6M2零式舰载战斗机从一片云层中冒出，正对着巡洋舰，高度约4000英尺，仰角80°。里诺号的轻型高射炮在飞机从右舷驶向左舷时向其开火，但飞机逃逸了。

伯明翰号向船尾移动，以便在机库的尾部更有效地灭火。短时间内轻型巡洋舰派出14条水管和38名士兵组成的损害控制小组到航母。这一额外的援助帮助扑灭了航母上的两大火灾之一。消防队员在机库前端于11时30分扑灭了前方火焰，但在前方电梯坑中燃烧的一些液压油除外。里诺号坚决地尝试了好几次右舷机动，终于在11时56分把船头指向普林斯顿号的左舷，但到12时02分，又漂向了后方。之后莫里森号（DD-560）也加入救援，这两艘战舰互相磨擦，几分钟后莫里森就被夹在航母的2号和3号战舰右舷舰炮的海绵之间，并遭受了严重的上部损坏。一辆吉普车和一辆牵引飞机的拖拉机从航母的飞行甲板上掉到了驱逐舰的舰桥上，轰击声把莫里森号的前桅和前桅撞到了船外，严重损坏了烟囱、探照灯平台和舰桥的左舷。13时00分雷达探测到另一大群飞机在60英里处方位210°。

所有船只的消防队员几乎都成功地控制了火势，唯一已知的余火在鱼雷车间和电梯坑周围燃烧。下午早些时候，一场暴风雨袭击了这个地区，能见度下降到了100码，并把时速20海里的大风吹到了这些人和他们的船上。这场雨鼓舞了消防队员，因为他们希望这场雨能使他们免受敌人的空袭，并帮助他们扑灭大火。英格利斯向谢尔曼报告说，他们几乎把火焰扑灭了，并对航母和其他船只遭受的损失作了总结。然而火势又开始增加。莫里森号在14时53分沿着航母的左舷滑行，在机库的尾部与大火搏斗，但无法扑灭大火。

普林斯顿号示意伯明翰靠近并将其拖走。巡洋舰沿着航母的左舷停泊，但是汹涌的大海冲击着船只，伯明翰花了将近30分钟才靠近。然而，火势更大，消防队员要求一艘更大的船与之战斗。莫里森号于是在14时55分离开。伯明翰奋力抵抗巨浪，避免与普林斯顿相撞，经过几次普林斯顿漂流而去的尝试，迫使巡洋舰重新调整航向，在15时15分，她终于成功地向航母射击位置移动。就在15时22分伯明翰号沿着航母向后移动时，普林斯顿C-101B号鱼雷装载舱被火焰点燃，整个船尾后部被120号框架和主甲板上方的结构物从船尾向前吹到105号框架，发生了一次灾难性爆炸。爆炸造成233名伯明翰号船员死亡，211人重伤，另有215人受轻伤，甲板上血流成河。人们检查了机库里的普林斯顿号船尾，看是否有人幸存下来，但只发现了残破的尸体。15时55分，雷诺接手了救援工作，要求谢尔曼再派一艘船作为航母的拖船。拯救普林斯顿号的努力仍在继续，但大火最终还是胜利了。伯克担心随时可能发生另一场毁灭性的爆炸，由于协助船只在旁边已经遭受了巨大的破坏，他认为没有理由要求其他船只协助灭火。16时04分船长下令所有船员弃船。到16时34分，他们疏散了最后一批幸存者。伯克和墨菲仔细观察了火焰和烟雾中短暂的断裂，看是否有幸存者仍在船上，船长随后跟随执行官下船。伯克命令船绕航母一圈，寻找在水中挣扎的幸存者，并让他对船尾部进行最后检查。

普林斯顿号上的火势失控，受损船只需要修理，生还者和伤员挤满了其他船只，天气恶化。此外，炽热的航母有可能成为指引敌机前往该地区的灯塔。因此，谢尔曼做出了破坏普林斯顿号的严峻决定。欧文号在17时06分靠近并开始发射鱼雷，然而，与普林斯顿号的碰撞损坏了鱼雷主管。第一枚鱼雷划破了航母的左舷船首，但爆炸似乎微不足道。第二枚和第三枚鱼雷显然没有击中，尽管能见度问题和滚滚巨浪继续困扰着精确跟踪它们的尾迹。第四枚鱼雷在17时18分时运行不稳定，经常改变航向，从而导致在场的所有船只都以高速机动以避免被击中。

从17时32分，欧文对普林斯顿发射了27发5英寸的鱼雷，但似乎很少击中这艘船，只引发了一些轻微的火灾。航母前方的飞行甲板上发生爆炸，很可能是当天早些时候装载在那里的飞机引起的。里诺号替代了欧文号的任务，并在2800码处发射了一枚鱼雷，深度为12英尺，设定为1746米，一分钟后又发射了第二枚鱼雷。里诺号报道说，17时49分普林斯顿号发生了“一次巨大的爆炸”，当时两枚鱼雷击中了前置单仓和前置油箱，火焰和碎片射向空中1000多英尺。普林斯顿号的前段几乎消失了，而后段螺旋上升，出现在烟雾的下部，但很快就滑到了浪下，在接近北纬15°22'N，东经123°35'E的位置沉没。

该中队的一些飞机降落在其他船只上，但共有16架F6F-3地狱猫战斗机与普林斯顿号一起沉没。此外，轰炸机中队的八架TBM-1C复仇机、分配给海军航空兵太平洋舰队副司令乔治·D·默里上将的一架TBM-1C（73173）、两架VC-5（46201和46202）的TBM-1C和一架VC-68（46429）的TBM-1C也随航母沉没。

1944年9月和10月，伯克上尉在指挥该舰作战时，因“以非凡的英雄主义自居”而获得海军十字勋章。此外，伯克还因“异常有功的行为”获得了荣誉勋章。

海军调查人员评估普林斯顿的损失主要是由于无法控制机库的火势，这在很大程度上是由于那里发生了一系列重大爆炸，其中一些可能是鱼雷弹头爆炸造成的，后来在鱼雷积载区发生炸弹大规模爆炸，迫使船员弃船把炸弹装进鱼雷里是她损失的主要原因。

伯明翰号、加特林号、欧文号、莫里森号和里诺号把幸存者带到了乌里希号，伯明翰把他们中的大多数人带到了珍珠港。

普林斯顿号惨败后，莱特湾战役继续进行，第七舰队在苏里高海峡战役（1944年10月24日至25日）天亮前击退了日军南向军团。北向军团诱骗哈尔西的第三舰队越界保护塔菲3号海军编队，但在恩加诺角附近，四艘日本航母连同部分巡洋舰和驱逐舰“屏风”号全部沉没。这场战斗有效地终结了了日本的水面舰队作战能力。

普林斯顿号（CVL-23）在第二次世界大战中赢得了九颗战斗之星。