Германское командование в ходе крымской кампании уделяло большое внимание захвату Севастополя. Удобное расположение города-порта позволяло базировавшемуся там флоту совершать оперативные действия практически на любом направлении. Несмотря на приказ наркома ВМФ от 16 декабря 1940 г. об организации обороны главных баз флота со стороны суши, строительство оборонительных рубежей под Севастополем началось только после начала войны с Германией. На их сооружении были задействованы инженерные подразделения флота и армейские части, активно привлекалось местное население. Оборона базы Черноморского флота включала береговую артиллерию (13 батарей, 44 орудия) и три зенитных полка (40 батарей, 160 орудий). Артиллерия на берегу вместе с минными заграждениями, выставленными в море, призваны были стать надежной защитой города и порта от нападения с моря. Строительство оборонительных рубежей с суши к началу боев в Крыму завершить не успели.
20 июля в составе Черноморского флота была создана Азовская военная флотилия, командование которой принял капитан 1 ранга А.П. Александров, замененный 13 августа контр-адмиралом С.Г. Горшковым. Флотилия должна была оказывать содействие Южному фронту и обеспечивать перевозки на Азовском море. В состав флотилии были включены мобилизованные и получившие вооружение суда Азово-Черноморского пароходства. В нее вошли дивизион канонерских лодок (первоначально три единицы), дивизион сторожевых кораблей и тральщиков (пять единиц), отряд сторожевых катеров и катеров-тральщиков (восемь единиц), затем к ним добавились корабли за счет расформированной Дунайской флотилии, некоторые корабли передавались из Черноморского флота.
В начале сентября немецкие войска подошли к Перекопу. Флот оказал существенную помощь армии в оборонительных боях в этом районе, передав на позиции восемь береговых батарей (34 орудия калибром 100–152 мм), а также группу флотской авиации в числе 76 самолетов (включившую в дальнейшем эскадрилью штурмовиков Ил-2). В боях за Ишуньские позиции активное участие принимала 7-я бригада морской пехоты.
После прорыва армии Э. фон Манштейна на территорию Крыма над Севастополем нависла прямая угроза. Несмотря на упорное сопротивление советских сил, остановить немецкое продвижение в Крыму не удалось. 30 октября 1941 г. передовые части 11-й армии Вермахта подошли к Севастополю. В этот период город оборонялся гарнизоном, состоящим еще только из морских частей. В начале обороны гарнизон Севастополя включал, вместе с прибывшей из Новороссийска 8-й бригадой морской пехоты, три полка и 19 батальонов численностью около 23 тыс. чел. Моряки сыграли решающую роль в срыве немецких планов по захвату Севастополя с ходу. Морская пехота смогла отразить первый натиск врага до подхода теснимых противником соединений Приморской армии, начавших прибывать к городу 3 ноября.
В связи с этим командующим войсками Крыма вице-адмиралом Г.И. Левченко были созданы Севастопольский и Керченский оборонительные районы, в целях организации централизованной обороны при участии разнородных сил, как это было отработано в Одессе. Севастопольский оборонительный район (СОР), руководство которым было 7 ноября возложено на командующего Черноморским флотом вице-адмирала Ф.С. Октябрьского, включил в свой состав войска Отдельной Приморской армии, с боями пробившиеся в Севастополь.
Безусловно, в обороне Севастополя на всех ее этапах флот сыграл одну из важнейших ролей. Прежде всего, располагая мощной береговой и корабельной артиллерией, Военно-морской флот представлял собой внушительную огневую силу. Во-вторых, Севастополь, изолированный противником с суши, мог получать пополнение и боеприпасы исключительно морским путем, и от действий флота по организации и защите перевозок всецело зависела судьба гарнизона. В-третьих, Приморская армия, занявшая оборону города, непрерывно усиливалась частями морской пехоты, оказавшимися при этом наиболее крепкими и стойкими в бою на каждом этапе обороны Севастополя. Части морской пехоты всегда действовали на самых ответственных участках фронта. Например, в ноябре 1941 г. в четырех секторах обороны Севастополя вели боевые действия 32 батальона морской пехоты (без учета армейского резерва и гарнизона ДОТов и ДЗОТов). Морские пехотинцы составляли почти половину войск Севастопольского оборонительного района.
Всего за годы войны Черноморский флот сформировал шесть бригад, восемь полков и 22 батальона морской пехоты общей численностью около 70 тыс. чел. При этом в период с октября 1941 г. по декабрь 1942 г. Черноморский флот передал Красной Армии 54 028 чел., в т. ч. корабельного состава – 18 592 чел., береговой обороны – 19 046 чел., морской пехоты – 11 972 чел., ВВС – 5354 чел..
Руководство СОРом не случайно было передано Черноморскому флоту, учитывая опыт обороны Одессы. Однако в вопросах обороны главной базы в военном командовании в первые же дни возникли разногласия. Ф.С. Октябрьский был сторонником сбережения кораблей флота и отвода основных сил вместе со штабом в порты Кавказа. Нарком ВМФ Н.Г. Кузнецов и маршал Б.М. Шапошников считали, что основные силы флота необходимо бросить на защиту Крыма и с этой задачей можно справиться только из Севастополя. В телеграмме Верховному Главнокомандующему и наркому ВМФ Ф.С. Октябрьский писал об угрозе захвата Севастополя противником: «Севастополь пока обороняется стойко частями флота, гарнизона моряков… Противник занял Евпаторию, Феодосию, Алушту и др. пункты. Севастополь до сих пор не получил никакой помощи армии. Мною брошено все, что было на оборону базы: учебный отряд флота, училище БО, все отдельные команды, аэродромные команды, часть личного состава кораблей. Резервов больше нет. Одна надежда, что через день-два подойдут армейские части: если этого не будет – противник ворвется в город. Исходя из обстановки мною было написано два донесения о положении и принятых мерах. Несмотря на столь серьезное положение, я до сих пор не получил никаких руководящих указаний от своего наркома. Как же действовать в данной обстановке?». В полученном ответе Н.Г. Кузнецова содержалось категоричное указание на необходимость удержания города: «…вашей главной задачей является удерживать Севастополь до крайней возможности. Так дрался под огнем артиллерии и авиации Таллин, так держался Ханко, так вы, черноморцы, держали Одессу, и мне непонятна нотка безнадежности в отношении Севастополя. К борьбе за Севастополь надо привлечь корабли, хотя условия для их базирования там будут трудными. Но вам известно, что весь Северный флот в Полярном с начала войны находится под ударами авиации, а линия фронта проходит еще ближе. Севастополь можно и нужно защищать и, пока оборона его не будет устойчивой, Военный совет должен быть там».
Директивами Ставки ВГК от 7 ноября и 20 декабря 1941 г. было подтверждено взаимодействие Черноморского флота и войск СОР, согласно которым боевые корабли и флотскую авиацию требовалось решительно использовать для систематической огневой поддержки сухопутных сил. В частности, три старых крейсера и старые миноносцы необходимо было держать в Севастополе, сформировав из их состава маневренный отряд для поддержки войск на Ак-Монайских позициях. Азовской флотилии приказывалось оказывать им поддержку с севера.
Во время как ноябрьского, так и декабрьского штурма артиллерия и авиация оказали существенную поддержку защитникам города. Советские крейсера во время первого штурма вели огонь со своих якорных позиций по скоплениям вражеской пехоты, колоннам танков и артиллерии. Корректировка стрельбы осуществлялась с помощью постов на переднем крае, авиации и аэростатов наблюдения.
Однако обстановка для морских сил не была благоприятной. Основное препятствие для действий кораблей представляла авиация противника. Наиболее тяжелым в этом смысле днем оказалось 12 ноября. В этот день из-за немецкого авианалета пострадало сразу несколько кораблей, находящихся на стоянке в Севастопольской бухте. Немцы наносили достаточно точные удары, пользуясь результатами аэрофотосъемки и нанеся повреждения тем кораблям, которые в течение последних двух дней не меняли своего положения. В результате налета были потоплены крейсер «Червона Украина», эсминец «Совершенный», корпус эсминца «Быстрый», подводная лодка Д-6, находившаяся в ремонте, повреждены подводная лодка А-1, эсминец «Беспощадный» и другие корабли. В последующие дни из 130-мм артиллерийских орудий, снятых с «Червоной Украины» и других поврежденных кораблей, сформировали шесть батарей, сыгравших большую роль в обороне города.
Как никогда остро встали вопросы о сбережении боевого флота и об организации снабжения базы таким образом, чтобы свести к минимуму потери от вражеских самолетов. Приказом командующего Черноморским флотом от 14 ноября 1941 г. кораблям предписывалось выходить из Севастополя только в ночное время. Корабли, выходящие из портов Кавказского побережья, должны были так рассчитать время, чтобы прибыть в Севастополь к рассвету. Для встречи кораблей на подходе к базе выделялись тральщики охраны. В целях сохранности тоннажа предписывалось ограничить число находящихся одновременно в порту транспортников до пяти-шести единиц, используя наиболее быстроходные.
В соответствии с директивой Ставки ВГК от 16 ноября базой для подачи воинских грузов в Севастополь устанавливался Новороссийск. Планирование и организация проводок транспортов были поручены штабу флота во главе с И.Д. Елисеевым. На нужды военных перевозок было привлечено 74 сухогрузных и 16 нефтеналивных транспортных судов. Техническое состояние большинства из них требовало ремонта, тогда как основные судоремонтные предприятия были потеряны в Николаеве, Одессе и Херсоне. Удалось спасти лишь часть оборудования в портах Кавказа, но создать полноценные ремонтные заводы там не удалось. Первоочередному ремонту подлежали военные корабли. Поврежденные транспорты ремонтировались в спешном порядке или вовсе выводились из эксплуатации. Вооружение суда если имели, то слабое – пулемет или пушка 45 мм. Для защиты перевозок применялся метод конвоирования транспортов, составляющих небольшие группы до трех единиц. В особых случаях формировались крупные конвои. Однако кораблей, способных нести охрану конвоев, не хватало, и часть транспортных судов перемещалась самостоятельно. Число таких случаев было особенно велико в декабре – до 30 % от общего количества перевозок. На подходах к Новороссийску и Севастополю действовали тральщики, велся дозор и поиск мин, подводных лодок.
В ноябре Севастополь принял 178 судов, в декабре – 161. С их помощью в город было перевезено 33 492 человека, 26 танков, 346 орудий и минометов, 4763 т боеприпасов, 3096 т горючего. Частичная эвакуация из Севастополя составила за это время 17 042 человека гражданского населения. Было вывезено также 15 531 раненый и 12 450 т оборудования.
20 декабря, в связи с подготовкой Вермахтом нового наступления, командующему флотом Ф.С. Октябрьскому, занятому с 10 декабря на Кавказе подготовкой десантов на Керченский полуостров, было приказано немедленно возвратиться в Севастополь. Согласно директиве Ставки ВГК СОР вошел в подчинение командованию Закавказского фронта, что способствовало существенному упрощению решения вопросов снабжения. На базу флота были возвращены крейсера «Красный Кавказ» и «Красный Крым», лидер «Харьков», эскадренные миноносцы «Незаможник» и «Бодрый», отправленные из Новороссийска. Вместе с ними в осажденный город была доставлена 79-я морская стрелковая бригада под командованием полковника А.С. Потапова. Благодаря ее усилиям защитникам удалось вернуть утраченные позиции в районе Макензиевых Гор.
Усиление гарнизона новыми частями привело к переносу сроков осуществления запланированных десантов на Керченский полуостров, но при этом способствовало удержанию города во время декабрьского штурма, чему, как и в ноябре, придавалось большое значение. 23–24 декабря в город были переправлены морем 345-я стрелковая дивизия, отдельный танковый батальон, доставлены боеприпасы. 29 декабря на базу флота линкором «Парижская коммуна», крейсером «Молотов» и двумя эсминцами были доставлены новые боеприпасы и пополнение. Корабли в течение дня вели огонь по позициям противника. Во время второго, декабрьского штурма в огневой поддержке войск участвовали 17 кораблей, проведших 222 стрельбы, израсходовав 6293 снаряда. Однако в большинстве случаев корабельная артиллерия вела огонь по площади, что существенно снижало ее эффективность.
После срыва очередного немецкого штурма войска СОРа были задействованы в проведении нескольких наступлений с целью не допустить переброски войск противника на Керченский полуостров. Морская артиллерия и в этом случае оказывала поддержку войскам.