Понимая, что сил для обороны Севастополя явно недостаточно, в тот же день 30 октября из Новороссийска крейсер «Красный Крым» и транспорт «Украина» доставили основной состав 8-й бригады морской пехоты под командованием полковника В.Л. Вильшанского, а крейсер «Червона Украина» батальон Дунайской военной флотилии капитана А.Г. Петровского. За счёт личного состава кораблей, береговой обороны, военных учебных заведений, отдельных мелких подразделений были экстренно сформированы 11 батальонов морской пехоты.
Разгорелись упорные бои на подступах к Севастополю. Существенную помощь в первые дни боёв оказали береговые и зенитные батареи базы, а также авиация Севастопольской авиагруппы.
Ставка Верховного Главнокомандования следила за обстановкой на Крымском полуострове и 7 ноября 1941 года телеграфировала командующему войсками Крыма: «С целью сковывания противника в Крыму и недопуска его на Кавказ через Таманский полуостров, Ставка Верховного Главнокомандования приказывает: 1. Главной задачей Черноморского флота считать активную оборону Севастополя и Керченского полуострова всеми силами; 2. Севастополь не сдавать ни в коем случае и оборонять его всеми силами» (ЦАМО. Ф. 407. Оп. 0852. Д. 1. Л. 228–229). Одновременно этим же документом Ставка возложила руководство обороной Севастополя на командующего Черноморским флотом вице-адмирала Ф.С. Октябрьского.
В течение 8–9 ноября сухопутные войска отбивали атаки противника, стремившегося прорваться к Северной бухте. Активную помощь им оказывали своим огнём береговые батареи и крейсера «Червона Украина» и «Красный Крым». Не добившись успеха атакой сухопутных войск, командование противника решило ослабить оборону города ударами с воздуха. С утра 12 ноября начались массированные налёты авиации противника. Утром 23 бомбардировщика Ю-88 атаковали корабли на рейде. От прямых попаданий вражеских бомб затонул крейсер «Червона Украина», получили повреждение эсминцы «Совершенный» и «Беспощадный», находившиеся в ремонте.
Большую роль в отражении ноябрьского штурма сыграла береговая артиллерия, особенно батареи № 10, 19, 30. В ходе ноябрьских боёв мощные удары по врагу наносили боевые корабли эскадры Черноморского флота. Они 54 раза вели огонь по береговым целям, израсходовав более 2300 снарядов. Транспортные суда в охранении боевых кораблей совершили 178 рейсов в Севастополь с войсками, вооружением, боеприпасами и продовольствием. Из осаждённого города они вывезли более 26 тыс. жителей и раненых бойцов, более 25 тыс. т грузов.
Не добившись успеха в ноябрьских боях, гитлеровское командование начало ускоренную подготовку к новому штурму. Активную подготовку к новым боям за Севастополь развернуло и советское командование. Войска СОР были пополнены живой силой и техникой. За период с 7 по 13 декабря боевые корабли и транспорты перевезли в Севастополь из портов Кавказа 388-ю стрелковую дивизию и около 6 тыс. человек маршевого пополнения.
Одновременно корабли и авиация флота продолжали наносить по противнику огневые удары. Так, 28 ноября огонь по противнику вели линкор «Парижская коммуна» и эсминец «Смышленый», 3 декабря крейсера «Красный Крым» и «Красный Кавказ», эсминец «Железняков» и два тральщика.
Противник продолжал ускоренно готовить новое наступление на Севастополь. После артиллерийской и авиационной подготовки 17 декабря гитлеровцы начали новое наступление на Севастополь. Обстановка с каждым днём становилась всё тяжелее. Для оказания помощи защитникам города из Новороссийска во главе с командующим флотом 20 ноября вышел отряд кораблей в составе крейсеров «Красный Кавказ» и «Красный Крым», лидера «Харьков» и эсминцев «Бодрый» и «Незаможник», имевших на борту 4 тыс. бойцов 79-й бригады морской пехоты (командир полковник А.С. Потапов). Одновременно в Туапсе на лидер «Ташкент», эсминцы и транспорты шла погрузка частей 345-й стрелковой дивизии (командир полковник Н.О. Гузь), маршевых рот, вооружения и боеприпасов.
В полдень 21 декабря под вражеским артиллерийским огнём и ударами авиации корабли прорвались в Северную бухту и начали высадку войск и выгрузку грузов. Одновременно они открыли огонь по наступавшему противнику. Враг был задержан, а с прибытием 345-й стрелковой дивизии и маршевого пополнения отброшен за Камышловский овраг. При отражении второго наступления противника корабельная артиллерия провела 203 стрельбы, израсходовав 5600 снарядов. Огонь по врагу вели 18 кораблей, в том числе линкор «Парижская коммуна», 3 крейсера, 2 лидера, 7 эсминцев, 4 тральщика и даже одна подводная лодка («Л-6»).
В срыве наступления противника большую роль сыграла начавшаяся Керченско-Феодосийская десантная операция. На время её проведения Черноморский флот был оперативно подчинён Военному совету Закавказского фронта, а Азовская флотилия и Керченская военно-морская база – командующему 51-й армией.
Готовясь в начале июня 1942 г. к штурму Севастополя, противник резко усилил блокаду города с моря. Наряду с авиацией, являвшейся главным средством блокады, командование противника использовало и корабли флота. С этой целью в Ак-Мечеть, Евпаторию и Ялту были переброшены 19 торпедных катеров, 30 сторожевых и 8 противолодочных кораблей. В блокаде участвовало 6 итальянских подводных лодок. Доставка подкреплений СОРу боевыми кораблями и транспортными судами затруднялась также тем, что все подходы с моря, внешние рейды и бухты простреливались вражеской артиллерией. И всё же моряки Черноморского флота прорывались в блокированный Севастополь и доставляли пополнение, боеприпасы, продовольствие, другие грузы и вывозили из города раненых, ценные грузы, мирное население.
В июне 1942 г. в Севастополь прорывались крейсера «Красный Крым», «Молотов», лидеры «Харьков» и «Ташкент», эсминцы «Бдительный», «Безупречный», «Сообразительный», «Свободный» и другие корабли. Всего они совершили 110 рейсов и одновременно своим огнём оказывали поддержку оборонявшимся войскам. Когда после 26 июня в Севастополь могли прорываться только подводные лодки, они доставили в город около 4 тыс. тонн боеприпасов, продовольствия, бензина и вывезли из него 1300 раненых и эвакуируемых севастопольцев.
Оборона Севастополя продолжалась восемь месяцев. Большую роль в его обороне сыграли разнородные силы Черноморского флота. Трудно переоценить вклад в оборону города кораблей и судов Черноморского флота. Морские перевозки войск, вооружения, боеприпасов и различных военных грузов, эвакуация раненых, больных, мирных жителей, ценных грузов, включая полотно знаменитой панорамы Ф.А. Рубо «Оборона Севастополя 1854–1855 гг.».
С оставлением Севастополя закончилась борьба за удержание Крыма в первом периоде Великой Отечественной войны. Черноморский флот перебазировался в кавказские порты.
Наступил 1944 г. и наступил период освобождения Крыма. В связи с намечавшейся в апреле 1944 г. Крымской наступательной операцией 4-го Украинского фронта Ставка ВГК предписала Черноморскому флоту систематически нарушать коммуникации противника в Чёрном море, причём главной задачей определила срыв вражеских перевозок из Крыма и содействовать сухопутным войскам на приморских флангах. Для действий на коммуникациях Ставка приказала использовать подводные лодки, бомбардировочную и минно-торпедную авиацию, а на ближних коммуникациях – бомбардировочно-штурмовую авиацию и торпедные катера. Что касалось крупных надводных кораблей, то их Ставка приказала тщательно готовить к морским операциям, о которых при изменении обстановки должны были последовать соответствующие указания.
Готовясь к Крымской операции, командование Черноморского флота провело ряд мероприятий, которые придали действиям сил флота форму операции на морских сообщениях противника. Планировалось использовать в операции катера 2-й бригады торпедных катеров (командир капитан 2-го ранга В.Т. Проценко) первоначально из Скадовска, а по мере освобождения побережья Крыма из бухты Караджа, а затем из Евпатории. С целью приближения к району боевых действий 1-я бригада торпедных катеров (командир капитан 2-го ранга Г.Д. Дьяченко) должна была действовать в районе Феодосии, Судака. Она была перебазирована из Поти в Фальшивый Геленджик, а после освобождения – в Ялту.
Для участия в операции первоначально выделялось 404 самолёта, количество которых было увеличено до 430. Развернуть на коммуникациях противника большого количества подводных лодок не представлялось возможным, так как более 60 % их находилось в ремонте.
В подготовительный период была проведена большая работа по организации взаимодействия разнородных сил флота, прежде всего по поиску кораблей противника и наведению на них ударных сил флота.
С началом наступления войск 4-го Украинского фронта в нём приняли участие сухопутные части и авиация Черноморского флота. В соответствии с директивой Ставки ВГК от 11 апреля действия авиации флота по сухопутным войскам противника были прекращены. Перед Черноморским флотом основной задачей были действия на его морских коммуникациях.
Для уничтожения кораблей и транспортов противника на коммуникациях стал применяться метод нанесения комбинированных ударов в тесном взаимодействии бомбардировочной, штурмовой, минно-торпедной и истребительной авиации. Характерной особенностью использования штурмовой авиации являлось широкое применение ею нового для того времени топмачтового бомбометания. Комбинированные удары авиации по конвоям противника наносились в мае ежедневно. Черноморские лётчики топили корабли и транспорты с войсками, которые противник пытался вывести из Севастополя. Следует отметить, что командование противника принимало все меры для эвакуации личного состава, бросая артиллерийские орудия, автотранспорт, другое тяжёлое вооружение и другое имущество.
Комбинированные удары авиации флота по конвоям противника наносились в мае ежедневно. Черноморские лётчики топили корабли и транспорты с войсками, которые противник пытался эвакуировать из Севастополя. При этом широко применялась система последовательных повторных ударов по одному и тому же конвою. Особенно результативными были действия авиации 10 мая 1944 г., когда по кораблям и транспортам противника, вышедшим с войсками из Севастополя, было последовательно нанесено несколько массированных ударов. Было потоплено 25 плавединиц с войсками, в том числе два крупных транспорта – «Тея» и «Тотила».