Последним боевым эпизодом Мировой войны, в котором довелось принять участие контр-адмиралу Старку, стала Моонзундская операция – боевые действия кораблей морских сил обороны Рижского залива против германской эскадры 29 сентября – 6 октября 1917 года. Целью операции для немцев была ликвидация угрозы со стороны моря северному флангу их армии. Морские силы германцев были сведены в отряд особого назначения в составе более 300 боевых кораблей и судов, в том числе 10 линкоров, 1 линейный крейсер, 9 легких крейсеров, 68 эсминцев и миноносцев, 6 подводных лодок, 90 тральщиков, свыше 100 самолетов и дирижаблей, а также 25-тысячный десант со 125 орудиями и минометами и 225 пулеметами. Русские морские силы в Рижском заливе состояли из 116 кораблей и судов, в том числе линейных кораблей (эскадренных броненосцев) «Слава» и «Гражданин» (бывший «Цесаревич»), 3 крейсеров, 36 эсминцев и миноносцев, 3 канонерских лодок, 5 заградителей, 3 подводных лодок и 30 самолетов. Основу противодесантной обороны составляли 16 береговых батарей (54 орудия калибром от 75 до 305 мм) и минные заграждения. Гарнизон островов насчитывал 10 тысяч штыков, 2 тысячи сабель, 64 полевых орудия и 118 пулеметов. Русскими силами командовал выдающийся моряк адмирал М. К. Бахирев.
Боевые действия начались с высадки германского десанта в северо-западной части острова Эзель, в бухте Тага Лахт. 1 октября на Кассарском плесе произошел морской бой между германскими кораблями и русскими эсминцами. В дальнейшем, 3 октября вражеский десант захватил остров Эзель, и германский флот вошел в Рижский залив. В бою 4 октября у Куйваста линкоры «Слава», «Гражданин» и крейсер «Баян» столкнулись с немецкой эскадрой в составе 2 новейших линкоров, 2 крейсеров и 11 эсминцев. Получивший в бою подводные пробоины линкор «Слава» не мог пройти через Моонзундский канал и был затоплен своей командой. 5 октября противник овладел островом Моон, а через день и островом Даго. Русские морские силы ушли в Финский залив, предварительно заградив фарватеры затопленными пароходами и поставив у южного входа в пролив Моонзунд минные заграждения. Германский флот потерял эсминцы S-64, Т-54, Т-56 и Т-66, патрульные суда «Альтаир», «Дельфин», «Гутейль», «Глюкштадт» и тральщик М-31, русский флот потерял броненосец «Слава» и эсминец «Гром». Ряд кораблей и судов обеих сторон получили повреждения.
По мнению очевидцев событий как с русской, так и с германской стороны, основной причиной успеха немецкого флота было крайне низкое моральное состояние противостоявших ему сил, отсутствие дисциплины и сплоченности: «Недоверие команд к офицерам и даже друг к другу, стремление большинства только к собственному спасению; полный упадок дисциплины выступают ярким пятном на фоне громких резолюций и того якобы подъема, которым характеризовалось настроение наших армий летом 1917 года». Известно, что незадолго до начала Моонзундской операции М. К. Бахирев и Г. К. Старк подали рапорты на имя Командующего флотом с просьбой об отчислении их от занимаемых должностей. Причина этого – очевидность полной бесперспективности службы в условиях анархии и развала. Но с началом боевых действий оба они остались на своих постах и стремились драться с противником. Потопленные корабли и понесенные германцами потери свидетельствуют о том, что даже в столь критические моменты среди офицеров и нижних чинов Русского Флота все же оставались верные своему долгу люди.
К концу 1917 года Г. К. Старк был отмечен рядом наград, большинство из которых он получил за участие в боях и походах: орденами Святой Анны III-й степени с мечами и бантом (1907), Святого Станислава III-й (1906) и II-й степеней (1908) и мечами к последнему (1915), Святого Владимира IV-й степени с бантом за 18 кампаний (1915); медалями: в память Русско-Японской войны 1904–1905 годов (1906), плавания в 1904–1905 годах 2-й эскадры флота Тихого океана (1907), 300-летия царствования Дома Романовых (1913), 200-летия Гангутской победы (1915), а также золотым знаком окончания курса Морского корпуса (1910).
Но после того как отгремели бои на Моонзунде, русские офицеры, не погибшие от вражеских пуль и снарядов, а главное – от рук своих же «братишек-матросиков», стали все больше ощущать себя ненужными стране, охваченной анархией. А после Октябрьского переворота большинству стало окончательно ясно, что Русский Флот погиб. Вскоре свои посты оставили морской министр адмирал Д. Н. Вердеревский, начальник Морского Генерального Штаба адмирал граф А. П. Капнист и ряд других офицеров, многие из которых были арестованы за отказ сотрудничать с большевицкой властью.