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.

В начале 1942 года Кузнецов получил приказ о сформировании новых полков и бригад из моряков для сухопутных операций. В то же самое время шло формирование новой Волжской флотилии. До этого моряки героически защищали Москву, Одессу и Севастополь. В состав Волжской флотилии вошли моряки с Северного, Балтийского и Черноморского флотов, а новые части были укомплектованы в основном моряками Тихоокеанского флота и Амурской флотилии. Пока шло формирование, укомплектование и развертывание новых частей, прошло несколько месяцев. Затем они были переброшены на самый опасный участок фронта – Сталинград. Моряки вошли в состав 2-й гвардейской армии под командованием Р.Я.Малиновского, которая отбила все попытки немецких войск под командованием Манштейна деблокировать окруженную под Сталинградом 6-ю немецкую армию фельдмаршала Паулюса.

Еще одной сложной и ответственной задачей, которой пришлось заниматься Кузнецову в годы войны, стала организация морских перевозок из США в СССР. Путь был выбран самый короткий, но и самый трудный – через Северную Атлантику в Баренцево море и далее в порты Мурманска и Архангельска. Был разработан порядок встреч и сопровождения конвоев и меры по защите с моря и воздуха мест выгрузки. Для этих целей Северный флот был усилен подводными лодками с Тихого океана и сумел обеспечить проводку 77 конвоев (1464 транспорта) в порты СССР и из советских портов в порты союзников.

За годы войны флот вел непрерывные активные действия на коммуникациях противника. Одним из первых мероприятий флотов в начале войны стали минные постановки на путях возможного движения кораблей и судов противника. Всего было выставлено 9218 мин и минных защитников, на которых подорвалось около 110 транспортов и 100 кораблей охранения.

В декабре 1943 года Кузнецов доложил Верховному главнокомандованию свои соображения по поводу совершенствования практики оперативного руководства флотами со стороны командующих фронтами. В результате 31 марта 1944 года вышла директива Ставки ВГК, в которой формулировались основные принципы управления силами флота и их взаимодействия с другими видами вооруженных сил. Все флоты и флотилии во всех отношениях подчинялись наркому ВМФ. На отдельных этапах войны они могли быть переданы в оперативное подчинение командующих фронтами, округами, армиями, которые могли ставить им задачи, утвержденные Ставкой ВГК. Не связанные непосредственно с фронтами задачи, решаемые только Военно-Морскими Силами, должны ставиться флотам и флотилиям лично наркомом ВМФ. В соответствии с директивой Ставки ВГК нарком ВМФ стал именоваться главнокомандующим Военно-Морскими Силами СССР. На Н.Г.Кузнецова и ГМШ возлагалась обязанность самостоятельно разрабатывать крупные операции, согласовывать их с Генштабом или с командующими фронтами и нести полную ответственность за их проведение.

Флот успешно справлялся с самыми разнообразными задачами. Это и борьба на коммуникациях противника, и высадка десантов, и эвакуация населения, войск и различных грузов, и блокада побережья, занятого врагом, и содействие войскам при обороне или освобождении городов и многие другие. За годы войны силами флота было потоплено свыше 670 транспортов и до 615 кораблей охранения противника общим водоизмещением около 1600 тысяч тонн. Было также уничтожено в воздушных боях и на аэродромах 5 тысяч самолетов врага, высажено 113 морских десантов. Флоты обеспечили перевозку более 100 миллионов тонн грузов и 10 миллионов человек (в том числе по знаменитой ладожской Дороге жизни 1690 тысяч тонн грузов и 1 миллион человек). Весной 1945 года моряки (Днепровская флотилия) совершили уникальный переход по рекам и полуразрушенным каналам от Днепра до Одера и Шпрее. Пройдя 500 километров, канонерские лодки, бронекатера, плавучие батареи приняли активное участие в штурме Берлина.

Еще в 1944 году Н.Г.Кузнецову было присвоено звание адмирала флота. «За умелое и мужественное руководство боевыми операциями и достигнутые успехи в них» в годы войны он был награжден орденами Ленина, Красного Знамени, двумя орденами Ушакова I степени и иностранными знаками отличия.

22 июля 1945 года в связи с Днем Военно-Морского Флота вышел приказ № 371, в котором Сталин дал оценку действиям флота в годы войны.

78 кораблей ВМФ были удостоены звания гвардейских, около 80 соединений и частей – почетных наименований, а 240 кораблей и частей награждены орденами. Звание Героя Советского Союза было присвоено 513 морякам, из них семеро получили его дважды.

Военные моряки отличились и в боях с японцами. К началу вступления в войну Тихоокеанский флот и Амурская флотилия были усилены моряками с других флотов, имевших боевой опыт. В течение двух недель флот провел ряд десантных операций. Почти одновременно был высажен десант в Сейсине и Порт-Артуре, в Гензане и на Сахалине, на Курилах. Активно действовала и морская авиация. Адмирал Кузнецов руководил операциями на море и остался доволен действиями подчиненных. В сентябре 1945 года адмирал Кузнецов был удостоен звания Героя Советского Союза.

Авторитет Николая Герасимовича неизмеримо возрос в годы войны. Талантливый полководец, он быстро усваивал уроки тяжелых поражений и трезво оценивал победы, причем не только свои. Он внимательно изучал опыт немецких ВМС в битве за Атлантику, сражений на Тихом океане между Японией и США. В результате уже к концу войны у него выработалась собственная концепция о путях послевоенного развития советского ВМФ.

В послевоенные годы Н.Г.Кузнецов продолжал службу на посту наркома ВМФ и главнокомандующего ВМС. Но служба для него складывалась неблагоприятно. Пока шла война, вождь прислушивался к мнению прославленных военачальников и даже соглашался с ними. Но после войны все стало иначе. Сначала попал в опалу Г.К.Жуков, теперь пришла очередь Н.Г.Кузнецова.

Тогда шли оживленные споры по кораблестроительной программе. Кузнецов считал необходимым строить корабли с тактико-техническими данными, которые отвечали бы современным требованиям. Он рано оценил перспективность использования на флоте ядерной энергии для кораблей и особенно для подводных лодок.

Однако Сталин, вернувшись после войны к идее строительства океанского флота, в вопросах концептуального содержания программы строительства остался на прежних, довоенных позициях. Если Кузнецов настаивал на включении в программу постройку авианосцев как наиболее перспективного класса кораблей, то особой любовью Сталина остались тяжелые крейсера. Эти споры привели к серьезному конфликту между ними и к «крутому повороту» в карьере и личной судьбе Н.Г.Кузнецова.