1941年日军偷袭珍珠港，加利福尼亚号不幸中弹沉没，但这并不是这艘传奇战舰的终点。击退日军，抢救工作不久后便开始。
1942年3月25日，加利福尼亚号被重新浮起，移至干船坞进行临时维修。6月7日，它凭自己的动力前往普吉特海湾船厂，在那里开始一项现代化改造升级，对舰的上层建筑进行了重大改动，改善了水密分隔性，扩大了防空防御能力，对辅助武器进行了改动，并加宽了舰体以提高稳定性和鱼雷防护。
此次改装产生最大的变化是使得加利福尼亚号舰体变宽，其宽度超越了巴拿马运河的通过限制，从本质上将其战斗区域限制为太平洋海域。
1944年1月31日，加利福尼亚从普吉特海湾出发，在圣佩德罗进行了沉没后的首次巡航，然后向西航行，以帮助进攻玛丽亚娜。六月，这艘战舰在塞班岛战役中提供了火力支援。
6月14日，加利福尼亚号遭受日军海岸炮台的重创，造成10人伤亡。7月和8月，这艘战舰协助在关岛和天宁岛登陆。在与友舰田纳西州发生轻微碰撞后，加利福尼亚号于8月24日到达圣埃斯皮里图特进行维修。完成修复后，它于9月17日出发前往马努斯，加入了为进攻菲律宾而集结的部队。
10月25日晚上，海军上将奥尔登多夫在苏里高海峡战役中对日军实施了关键性的打击。这次战斗是大型莱特海湾战役的一部分，双方激烈交战，曾经在珍珠港袭击中遭受重创的美军战舰——包括加利福尼亚号对日军尽情倾泻怒火，进行了彻底的报复。
