22 июня 1941 года флот встретил по боевой тревоге, в первый день войны не потерял ни одного корабля и приступил к выполнению заранее разработанных планов. Уже 25 июня корабли Черноморского флота нанесли удар по румынскому порту Констанце, где имелись большие запасы горючего для германских войск. При отходе с успешно проведенной операции корабль «Москва» подорвался на мине. Анализируя это в Главном морском штабе (ГМШ) и наркомате, было выявлено, что противником стали применяться электромагнитные мины, против которых на советских кораблях защиты не было. Для решения этой проблемы была создана специальная группа ученых-физиков, которая вскоре нашла средство защиты кораблей и подлодок от этих мин.
Организация взаимодействия ВМФ с сухопутными силами в целях разгрома противника стала одним из основных направлений в деятельности Наркомата и Главного морского штаба ВМФ. Если на море флот справлялся с атаками врага, то на сухопутном театре военных действий положение армии было очень тяжелым. Немцы подошли к Одессе и Таллину, угроза нависла над Ленинградом и Севастополем. Морские гарнизоны перешли в подчинение общевойсковым командирам, которые не всегда умели использовать возможности флота. Кузнецов доказывал, что оперативное переподчинение флота фронтам и армиям чревато тяжелыми последствиями, приводя в пример неудачи при обороне Либавы и проведении Керченско-Эльтигенской десантной операции. Адмиралу, который первоначально даже не был введен в состав Ставки ВГК, пришлось использовать все свое влияние, неоднократно обращаться лично к Сталину, чтобы решить данный вопрос. В дальнейшем в годы войны Кузнецов стал сначала представителем Ставки ВГК по использованию сил флота на фронтах и членом ГКО, затем с 1944 года главкомом ВМС, а в конце войны – членом Ставки ВГК. Он лично докладывал в Ставку о положении на фронтах, где действовали силы флота, вносил свои предложения и добивался принятия решения. Он непосредственно участвовал в разработке планов проведения операций, в том числе тех, замысел которых зарождался в Ставке ВГК.
В августе 1941 года нарком ВМФ предложил нанести бомбовые удары по Берлину силами авиации ВМФ с аэродромов острова Эзель. Морская авиация не понесла потерь в первые дни войны, а использование ее для помощи армейским частям в Прибалтике позволило накопить достаточный опыт для проведения такой операции. Ставка дала согласие, возложив всю ответственность на Кузнецова. 7 августа 15 бомбардировщиков Балтийского флота поднялись в воздух и взяли курс на Берлин. Группу возглавил полковник Е.Н.Преображенский. Бомбардировки причинили определенный ущерб германской столице, но более важным было моральное и политическое значение этих налетов. За период с 8 августа по 5 сентября 1941 года на Берлин было совершено 9 налетов и сброшено 311 больших бомб.
В августе 1941 года стало ясно, что Таллин придется оставить, а корабли и войска вывести. Тогда Кузнецов обратился непосредственно в Ставку и получил разрешение на эвакуацию. Эвакуация флота и войск проходила организованно. Около 200 судов и транспортов, взяв на борт 23 тысячи солдат, совершили прорыв из Таллина в Кронштадт в неимоверно трудных условиях, через минные поля при постоянных атаках противника. Все эти силы влились в ряды защитников Ленинграда. Боевое ядро Балтийского флота было сохранено.
Опыт, полученный при прорыве из Таллина, был впоследствии использован при эвакуации войск из Одессы и Севастополя. Операция в Одессе была спланирована так умело, что флот не имел никаких потерь при ее проведении.
