К 22 июня 1941 г. в ВМС СССР входили 4 флота и 5 флотилий: Северный флот (командующий А.Г. Головко), Краснознаменный Балтийский флот (командующий В.Ф. Трибуц), Черноморский флот (командующие Ф.С. Октябрьский, Л.А. Владимирский и Н.Е. Басистый), включая Дунайскую и Азовскую военные флотилии, Тихоокеанский флот, включая Северо-Тихоокеанскую и Амурскую военные флотилии, а также Каспийскую военную флотилию. Морская авиация насчитывала 2543 самолета, из них 2162 боевых
30 октября 1941 г. немцы вышли на подступы к главной базе Черноморского флота - Севастополю. Для его обороны был создан Севастопольский оборонительный район (СОР). С ноября 1941 г. большинство кораблей Черноморского флота стало базироваться в портах Кавказа, одновременно осуществляя снабжение блокированного Севастополя.
Северному флоту с первых дней войны пришлось вести боевые действия на огромных пространствах Белого, Баренцева, Карского морей. Североморцы активно противодействовали морским перевозкам противника, затрудняя снабжение немецко-фашистских войск и вывоз стратегического сырья (никеля и железа) из Финляндии и Норвегии. С августа 1941 г. в Мурманск и Архангельск стали приходить союзные конвои. Их прикрытие в течение всей войны осуществляли корабли Антигитлеровской коалиции, в том числе (в своей операционной зоне) – суда Северного флота.
Осенью 1941 г., по решению ГКО, на флоте были сформированы 25 морских стрелковых бригад для действия на сухопутных фронтах. Всего за войну флот направил на сухопутные фронты свыше 400 тысяч матросов, старшин и офицеров. Помимо этого, морская пехота только за 1941-1942 гг. 57 раз высаживалась в морских десантах. Первый десант был высажен Дунайской флотилией на румынский берег Дуная уже 25 июня 1941 года. Всего силами флота за войну высажено более 100 морских оперативных и тактических десантов общей численностью более 250 тысяч человек.
С середины 1943 г. советская кораблестроительная промышленность возобновила поставки кораблей флоту. Всего за годы войны ВМФ получил 2 легких крейсера, 19 эсминцев, 54 подводные лодки и свыше 1100 единиц легких надводных судов и катеров. Более 500 кораблей и катеров поступило от США, Англии и Канады по ленд-лизу.
Летом и осенью 1943 г. Черноморский флот и Азовская флотилия совместно с войсками Северо-Кавказского фронта приняли участие в освобождении Новороссийска, Таманского полуострова и захвате плацдарма в районе Керчи. В 1944 гг. сыграли важную роль в разгроме вражеских войск в Крыму и освобождении Севастополя.
С выходом Советских войск к Днестру, на базе Азовской флотилии была вновь сформирована Дунайская флотилия. Ее корабли приняли участие в Ясско-Кишиневской, Белградской, Будапештской и Венской наступательных операциях.
Краснознаменный Балтийский флот принял активное участие в операциях по полному снятию блокады с Ленинграда и разгрому вражеских войск в Карелии и Прибалтике. Северный флот содействовал войскам Карельского фронта в полном очищении от противника Советского Заполярья и освобождении Северной Норвегии.
В 1945 г., на завершающем этапе Великой Отечественной войны активные боевые действия вел только Балтийский флот, участвуя в блокаде Курляндской группировки противника и препятствуя вражеским перевозкам на Балтике, а так же Дунайская и Днепровская флотилии.
За годы Великой Отечественной войны Советский ВМФ потерял 1014 кораблей различных классов, из них 314 надводных и подводных кораблей 1-го, 2-го и 3-го ранга, 139 торпедных катеров, 128 морских охотников за подводными лодками, 77 бронекатеров, 168 катеров-тральщиков, 188 сторожевых и других катеров.