Велись научно-исследовательские и экспериментальные работы по установке противоминных защитных устройств на надводных кораблях и подводных лодках. Их организация находилась под контролем самого наркома и его заместителя адмирала Л. М. Галлера. Нарком уделял большое внимание отработке вопросов взаимодействия сил флота и армии. Флотам было выслано разработанное в Наркомате ВМФ Положение по этим вопросам. Нарком требовал от флотов решения конкретных вопросов взаимодействия на морях, сам выезжал на флоты или посылал туда своих заместителей и начальников управлений.
Накануне войны нарком издал директиву о совместных действиях армии и флота в случае вторжения противника; директива была согласована с наркомом обороны.
Нарком стремится привлечь к флоту внимание общественности. По его предложению в стране было введено празднование Дня Военно-Морского Флота в последнее воскресенье июля. День Военно-Морского Флота как общенародный и военно-морской праздник с тех пор вошел в историю нашего государства. Он вводил забытые на флоте традиции, помогавшие воспитанию личного состава.
Кузнецов принимал решения, не оглядываясь на верхи. В начале 1941 года нарком приказал без предупреждения открывать огонь по иностранным самолетам-разведчикам, если они нарушат наши границы и появятся над базами флота. 16–17 марта того же года над Либавой и Полярным были обстреляны иностранные самолеты. За такие действия Кузнецов получил от Сталина выговор и требование отменить приказ. Кузнецов этот приказ отменил, но издал другой: огня по нарушителям не открывать, высылать истребители и принуждать самолеты-нарушители к посадке на наши аэродромы.
В феврале 1941 года нарком поставил флотам задачи по составлению боевого ядра флота для отражения ударов противника и прикрытия побережья и разработке оперативных планов, которые легли бы в основу действий флотов в начальный период войны. Лично возглавил эту работу, сделав поручения ГМШ ВМФ.
В мае 1941 года по указанию Н. Г. Кузнецова на флотах увеличили состав боевого ядра, усилили корабельные дозоры и разведку. 19 июня по приказу народного комиссара ВМФ все флоты перешли на оперативную готовность № 2, базам и соединениям предлагалось рассредоточить силы и усилить наблюдение за водой и воздухом, запретить увольнение личного состава из частей и с кораблей. Корабли приняли необходимые запасы, привели в порядок материальную часть; было установлено определенное дежурство. Весь личный состав оставался на кораблях. Была усилена политработа среди краснофлотцев в духе постоянной готовности отразить нападение врага, несмотря на сообщение ТАСС от 14 июня, опровергающее слухи о возможном нападении Германии на СССР.
21 июня 1941 года после получения в 23 часа 00 минут из Генерального штаба предупреждения о возможном нападении на СССР фашистской Германии нарком ВМФ своей директивой № 3Н/87 в 23 часа 50 минут объявил флотам: «Немедленно перейти на оперативную готовность № 1». Еще раньше по телефону было передано флотам его устное распоряжение. Флоты выполнили приказ к 00.00 22 июня и уже находились в полной боевой готовности, когда в 01 час 12 минут 22 июня военные советы флотов получили вторую подробную директиву наркома ВМФ Кузнецова «о возможности внезапного нападения немцев» за № 3Н/88.
22 июня 1941 года все флоты и флотилии СССР встретили агрессию по боевой тревоге, в первый день войны не понеся потерь ни в корабельном составе, ни в военно-воздушных силах ВМФ.
Получив доклады с флотов о налетах фашистской авиации на базы, Н. Г. Кузнецов под свою ответственность объявил флотам о начале войны и приказал им всеми силами отражать агрессию. Он дал флотам команду приступить к осуществлению планов, разработанных накануне войны. Ставились минные заграждения, развертывались подводные лодки, наносились удары кораблями и авиацией по объектам противника. Нарком приказал Главному морскому штабу не терять управления флотами, контролировать положение на них, быть в курсе всех распоряжений Наркомата обороны, чаще информировать Генеральный штаб о событиях на флотах.
В годы войны организация взаимодействия ВМФ с сухопутными силами в целях разгрома противника была одним из основных направлений в деятельности Наркомата и Главного морского штаба ВМФ. Кузнецов проявил себя выдающимся организатором взаимодействия сил флота с сухопутными войсками. Он действовал как нарком ВМФ, член ГКО и представитель Ставки ВГК по использованию сил флота на фронтах (1941–1945), как главком ВМС СССР (с февраля 1944 г.), как член Ставки ВГК (с февраля 1945 г.). В ходе войны Кузнецов по заданиям Ставки и по своей инициативе выезжал на фронты и флоты, где необходимо было его присутствие для разрешения наиболее сложных ситуаций, требовавших организации и координации деятельности флотов в совместных с артиллерийскими частями операциях. По приказу наркома ВМФ на флоты выезжали его заместители, начальник и другие работники ГМШ. Он лично докладывал в Ставку о положении на фронтах, где действовали силы флота, вносил свои предложения, планы операций, разработанных в ГМШ, и добивался принятия решений. Непосредственно лично участвовал в разработке планов проведения операций, в том числе тех, замысел которых зарождался в Ставке ВГК.
В июле 1941 года нарком ВМФ предложил Ставке ГК нанести бомбовые удары по Берлину силами авиации ВМФ с аэродромов острова Эзель. Ставка дала согласие, возложив всю ответственность на Кузнецова. За период с 8 августа по 5 сентября 1941 года на Берлин было совершено девять налетов, в которых участвовали десятки самолетов ВВС ВМФ. Бомбардировки нанесли определенный ущерб германской столице, но трудно переоценить в то время моральное и политическое значение этих налетов.
В августе 1941 года стало ясно, что Таллин придется оставить, а корабли и войска вывести. Главное командование Северо-Западного направления, в оперативном подчинении которого находился Балтийский флот, медлило с принятием решения. Тогда Кузнецов срочно обратился непосредственно в Ставку и доказал необходимость вывода кораблей из базы, получил разрешение на эвакуацию флота из Таллина. В неимоверно трудных условиях, при яростном противодействии противника 135 кораблей и транспортов прорвались в Кронштадт. На их борту было более 18 тыс. войск. Все эти силы влились в ряды защитников Ленинграда. Боевое ядро Балтийского флота было сохранено. Еще раньше, в июле 1941 года, Кузнецов приказал создать мощную Невскую артиллерийскую позицию Северного берега и командование морской обороной Ленинграда и Озерного района (МОЛ). Невская группа армейских войск начала создаваться только в сентябре. Создание укрепрайона сил армии и флота сыграло колоссальную роль в обороне города.
Изучив вопрос использования корабельной артиллерии в обороне Ленинграда, нарком ВМФ добился от Генштаба издания директивы об использовании корабельной артиллерии как артиллерии Резерва Верховного Главнокомандования.
В декабре 1943 года Кузнецов доложил Верховному Главнокомандованию свои соображения о необходимости в новых условиях изменить практику оперативного руководства флотами. В результате согласно директиве Ставки ВГК от 31 марта 1944 года все флоты и флотилии во всех отношениях подчинялись наркому ВМФ. На отдельных этапах войны они с ведома Кузнецова могли быть переданы в оперативное подчинение командующих фронтами, округами, армиями для решения задач, утвержденных Ставкой ВГК. Нарком ВМФ стал Главнокомандующим. С апреля 1944 года Черноморский, Северный флоты и Беломорская флотилия непосредственно подчинялись наркому ВМФ (Краснознаменный Балтийский флот подчинялся наркому ВМФ с ноября 1944 г.).
Директива разрешала наркому ВМФ и ГМШ самостоятельно разрабатывать крупные операции, согласовывать их с Генштабом или с командующими фронтами и возлагала на наркома полную ответственность за их проведение.
С первого же дня войны нарком самостоятельно ставил задачи флотам по усилению борьбы на коммуникациях противника, высадке десантов, эвакуации грузов, населения и войск, блокаде участков побережья, занятого противником, по содействию сухопутным войскам в операциях по обороне и освобождению приморских городов и территории побережья, защите собственных коммуникаций и нарушению вражеских коммуникаций, по поддержке фланговых соединений огнем корабельной и береговой артиллерии, по снабжению и другие.
Силы флота, прежде всего авиация и подводные лодки, активно вели боевые действия на коммуникациях противника. За годы войны силами ВМФ было потоплено свыше 670 транспортов и до 615 кораблей охранения противника общим водоизмещением около 1600 тыс. тонн. Было также уничтожено в воздушных боях и на аэродромах 5 тыс. самолетов врага, высажено 113 морских десантов. Флоты обеспечили перевозку более 100 млн тонн грузов и 10 млн человек (в том числе по знаменитой ладожской «Дороге жизни» – 1690 тыс. тонн грузов и 1 млн человек). Северный флот обеспечил проводку 77 конвоев (1464 транспорта) в порты СССР и из советских портов в порты союзников. На минах, выставленных флотами, подорвалось около 110 транспортов и 100 кораблей охранения врага.