15 августа на «Петропавловске» был поднят военно-морской флаг и он вступил в состав советского флота. В соответствии со своим состоянием крейсер включили в отряд вновь строящихся военных кораблей КБФ. К этому времени над корпусом возвышался первый уровень надстройки, основание носового и кормового мостиков, труба и временная нижняя часть грот-мачты.
Когда противник вплотную приблизился к Ленинграду, нашлась работа для 8-дюймовок новой единицы. 7 сентября «Петропавловск» впервые открыл огонь по германским войскам. Очевидно, немцы сочли в свое время, что снаряды без орудий не слишком опасны, и поставили весь боекомплект, нанеся себе двойной удар, сократив резерв боезапаса для своих тяжелых крейсеров и дав возможность вести стрельбу из четырех орудий советского корабля практически без ограничений. Только в течение первой недели с момента подключения «Петропавловска» к действиям против войск, он выпустил 676 снарядов. 16 сентября первые снаряды разорвались у борта крейсера. На берегу загорелись деревянные постройки, до того прикрывавшие «Петропавловск». Неприятельские снаряды разрушили и береговую подстанцию, питавшую корабль электроэнергией. Положение лишившегося энергии и находившегося теперь в прямой видимости противника крейсера стало угрожающим. Его командир, капитан 3 ранга А. К. Павловский, вызвал буксиры, а пока всю ночь крейсер продолжал вести огонь.
17 сентября с раннего утра немцы начали обстрел «своего» корабля. Один из первых снарядов попал в корпус и вывел из строя единственный источник энергии крейсера — помещение генераторов № 3. Команде пришлось не только прервать стрельбу; она оказалась беспомощной против огня от последующих попаданий, поскольку прекратилась подача воды в пожарные магистрали. Между тем в результате прямого попадания возник пожар в цистерне с соляром. Огонь начал распространяться по крейсеру. В течение несчастного дня 17 сентября беспомощный корабль получил 53 попадания снарядами разных калибров, преимущественно 210-мм — «норма», вполне достаточная для потопления даже полностью боеготового тяжелого крейсера. Экипажу пришлось покинуть корабль; первым делом на берег передали раненых. В корпус поступило много воды, и 19 августа крейсер сел на грунт. От опрокидывания его уберегла только стенка набережной, на которую «Петропавловск» навалился бортом. Повреждения оказались очень существенными; площадь отдельных пробоин достигала 25 кв.м. Команда потеряла 30 человек, в том числе 10 убитыми.
С корабля начали снимать легкую зенитную артиллерию; его автоматы установили на кораблях Ладожской флотилии. Тяжелейшее положение на фронте побудило командование еще больше «урезать» экипаж, который подвергся переформированию. На борту осталась небольшая группа специалистов-техников, в основном из состава электромеханической боевой части и несколько офицеров. После обследования было решено, что крейсер все же можно будет поднять и привести в боеспособное состояние его артиллерию, представлявшую значительную ценность для осажденного города.
Работы приходилось вести в основном ночью в обстановки максимальной скрытности и маскировки, поскольку противник находился всего в 4 км. К борту незаметно подошли корабли-спасатели ЭПРОНа, но, поскольку пришлось ограничиться самыми мелкими единицами, мощности их водоотливных средств не хватило для подъема «Петропавловска». Затем залив покрыл лед, и спасатели оказались вынужденными уйти. Между тем немногочисленный экипаж не прекращал борьбу. Было решено откачивать воду последовательно из каждого отсека, предварительно герметизируя его. Первоначально использовались только маломощные переносные насосы, но после осушения кормового машинного отсека удалось ввести в действие электростанцию № 1. Постепенно в ход пошли стационарные штатные насосы, расположенные в отсеках. Германская техника оказалась достойной этих поистине героических усилий (работы по-прежнему велись только в темное время суток), и корабль стал всплывать. Для маскировки каждое утро в часть осушенных отсеков вновь набирали воду, чтобы скрыть от немцев изменения в осадке. Корабельные насосы могли работать в полностью затопленных помещениях и осушали их достаточно быстро для того, чтобы ночью сделать очередной шаг к спасению корабля. Все эти работы велись в разгар холодной блокадной зимы 1941/1942 года. Личный состав страдал не только от холода и сырости, но и от нехватки еды: хотя паек на флоте оставался в приемлемых для поддержания жизни размерах, людям требовалось еще и много работать физически. Тем не менее, в течение зимы и весны в строй удалось ввести еще 2 дизель-генератора.
В полностью небоеспособном состоянии «Петропавловск» находился ровно год. Только 10 сентября 1942 года удалось полностью восстановить водонепроницаемость корпуса, а на следующий день произвести пробное всплытие. Утром его опять посадили на грунт. Операцию удалось провести настолько скрытно, что большинство личного состава находившейся рядом на берегу в окопах пехотной части ничего не заметило. Наконец, в ночь с 16 на 17 сентября крейсер окончательно всплыл и с помощью буксиров проследовал к стенке Балтийского завода.
По всем правилам ремонт следовало бы продолжить в доке, но довести крейсер до Кронштадта по полностью простреливаемому противником Морскому каналу оказалось невозможным. Пришлось проводить работы по старинке, как почти 40 лет назад в Порт-Артуре. На заводе изготовили огромный кессон размером 12,5 х 15 х 8 м, который поочередно подводили к пробоинам, откачивали воду и заделывали раны, нанесенные неприятельскими снарядами. Одновременно в помещениях и на палубе продолжались работы по восстановлению артиллерийского вооружения, электрооборудования и механики. А после их завершения оборудование пришлось ставить на консервацию: работы по корпусу велись слишком медленно.
Ремонт продолжался в течение всего следующего года, и уже в январе 1944 году с новой стоянки у Торговой гавани заговорили три оставшихся 203-мм орудия (левая пушка в носовой башне была полностью выведена из строя в 1941-м). Крейсер вошел в состав 2-й артиллерийской группы флота вместе с линкором "Октябрьская революция", крейсерами «Киров» и "Максим Горький" и двумя эскадренными миноносцами. Его артиллерией командовал старший лейтенант Я. К. Грейс. «Петропавловск» принял участие в Красносельско-Ропшинской наступательной операции, выпустив в первый же день, 15 января 1944 года, 250 снарядов. С 15 по 20 января это число увеличилось до 800. А всего за 31 обстрел по врагу было выпущено 1036 снарядов. Орудия корабля-калеки не слишком жалели: на его счет пришлось около трети проведенных стрельб и выпущенных 2-й артиллерийской группой флота снарядов. На окончательном вводе его в строй поставили крест, так что сбережение орудий и боезапаса уже не имело никакого смысла.
По донесениям береговых наблюдательных групп и наших войск действия артиллерии оказалось весьма эффективным. Только за 19 января на счет крейсера-батареи записали 3 орудия, 29 автомобилей, 68 повозок и 300 убитых солдат и офицеров противника. Но постепенно фронт отдалялся, и вести огонь становилось все более затруднительным. Последние залпы корабль выпустил 24 января 1944 года.
Так по сути дела закончилась боевая жизнь "русского немца". 1 сентября «Петропавловск» переименовали в «Таллин». Война приближалась к концу, но в судьбе многострадального корабля никаких изменений не происходило. После победы появилась принципиальная возможность завершить начатое пять лет назад дело, поскольку советские кораблестроители получили в свои руки поврежденный и недостроенный «Зейдлиц». Однако благоразумие возобладало, и чужеродный, уже устаревший крейсер так и не достраивался. Его некоторое время использовали в качестве несамоходного учебного судна, а затем — плавучей казармы (11 марта 1953 года переименован в «Днепр», а 27 декабря 1956-го получил обозначение ПКЗ-112).
3 апреля 1958 года бывший «Лютцов» исключили из списков флота и отбуксировали на корабельное кладбище в Кронштадте, где в течение 1959–1960 годов его разобрали на металл.
