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Après avoir accompagné plusieurs convois, le Nevada retourna en Grande-Bretagne en avril 1944 en prévision du débarquement de Normandie. Il fut choisi par le contre-amiral Morton Deyo comme son navire-amiral pour l'opération. Durant le débarquement, il soutient l'assaut sur Utah Beach du 6 au 17 juin puis de nouveau le 25 juin, employant ses canons contre des positions allemandes du nord-est de la péninsule du Cotentin.
Comme de nombreux navires ayant participé au débarquement de Normandie, il gagna la Méditerranée pour soutenir le débarquement de Provence. Il participa à l'opération entre le 15 août et 25 septembre 1944. Son principal fait de guerre fut son combat avec « Big Willie », une forteresse lourdement renforcée par 4 canons de 340 mm sur la presqu'île de Saint-Mandrier et protégeant l'accès au port de Toulon. Ces canons avaient été récupérés sur le cuirassé Provence après le sabordage de la Flotte française à Toulon. Ils avaient une portée de près de 35 km et étaient protégés dans un bunker blindé. À cause du danger représenté par ses canons, les navires d'appui feu assignés au débarquement furent affectés à sa destruction. Commencé le 19 août et se poursuivant les jours suivants, plusieurs navires lourds de la flotte alliée bombardèrent le fort, entrecoupés de tirs de moins ampleurs. Le 23, le tir naval mené par le Nevada causa les plus fortes destructions au fort lors d'une bataille de 6 heures où le navire tira 354 salves. Toulon tomba aux mains des Alliés le 25 août mais le fort résista trois jours de plus.