Создалась угроза прорыва противника к Новороссийску через перевалы. В связи с этим по решению командующего флотилией из личного состава тыловых частей, экипажа, плавсредств флотилии и Новороссийской военно-морской базы были сформированы отряды морской пехоты общей численностью около 1000 чел. и направлены на перевалы Бабича, Кабардинский, Волчьи Ворота и на дорогу Абрау-Дюрсо — Волчьи Ворота, где в тот период не было частей 47-й армии.
Первоначально морская пехота сражалась в составе отдельных батальонов и отрядов, которые затем были объединены в бригады. Так, из моряков Азовской флотилии, Керченской и Новороссийской военно-морских баз, а также из личного состава других частей и кораблей Черноморского флота 25 августа 1942 г. была сформирована 1-я бригада морской пехоты, занявшая оборону на неберджаевском направлении. После отхода из Темрюка частей Азовской флотилии на Таманский п-ов, командование Керченской ВМБ укрепило оборону полуострова, создав три боевых участка: северный, южный и восточный. Из 144-го и 305-го батальонов морской пехоты, отошедших в станицу Старотитаровскую, был сформирован один 144-й батальон морской пехоты, занявший оборону на участке Пересыпь, Варениковская, колхоз «Красная Стрелка». Монитор «Железняков» поддерживал его своим артиллерийским огнем. Спустя три дня 144-й батальон и 40-й артиллерийский дивизион флотилии по указанию командующего Новороссийским оборонительным районом были переброшены с Таманского п-ова в район Анапы.
29 августа противник, произведя перегруппировку своих войск и перебросив с туапсинского направления в район станицы Крымской 125-ю пехотную дивизию 57-го танкового корпуса, вновь перешел в наступление. На этот раз он решил прорваться к Новороссийску в обход с северо-запада через станицу Натухаевскую силами 125-й, через станицу Верхне-Баканскую — 73-й, а с севера — силами 9-й пехотных дивизий. Все атаки 9-й дивизии противника стойко отражали морские пехотинцы 1-й бригады морской пехоты. 125-й немецкой пехотной дивизии ценой больших потерь удалось потеснить 2-ю морскую стрелковую бригаду и захватить станицу Красно-Медведовская.
В ночь на 2 сентября войска 46-й немецкой пехотной и 3-й румынской горной дивизий 11-й немецкой армии начали форсирование Керченского пролива. Высадка производилась в районе мыса Ахиллеон, Кучугуры и на косу Тузла, в то время, когда часть сил Керченской военно-морской базы уже была передислоцирована под Новороссийск. Защитники Таманского п-ова, в т. ч. морская пехота, оказывали упорное сопротивление противнику, проявляя чудеса героизма, самоотверженности и отваги. На северном боевом участке береговая артиллерия вела тяжелый бой с наседавшими немецкими частями. Израсходовав весь боезапас, моряки взорвали орудия и отошли в район, предназначенный для эвакуации.
Стойко оборонялись морские пехотинцы восточного участка. Исчерпав все боевые возможности, они отошли в район озера Соленое, где был создан последний рубеж для прикрытия эвакуации морем защитников Таманского п-ова в Новороссийск. Руководство эвакуацией частей Керченской ВМБ было возложено на контр-адмирала С. Г. Горшкова. Для перевозки войск были использованы сейнеры, торпедные и сторожевые катера, тральщики и сторожевые корабли. Последним покинул Таманский п-ов 305-й отдельный батальон морской пехоты, прикрывавший эвакуацию. Всего за 2–5 сентября в Новороссийск и Геленджик было вывезено 5516 чел. с личным оружием и боеприпасами и 544 чел. Анапского укрепленного района. Из эвакуированного личного состава было сформировано четыре батальона морской пехоты, которые вошли в состав Новороссийского оборонительного района.
8 сентября 1942 г. флотилия была расформирована, а ее корабли и части вошли в состав Новороссийской и Керченской ВМБ.
3 февраля 1943 г. Азовская военная флотилия была сформирована вновь. В ее состав были включены 384-й и 369-й отдельные батальоны морской пехоты.
Одной из основных задач флотилии являлась высадка морских десантов для поддержки частей Советской Армии.
Десанты Азовской военной флотилии, высаженные в апреле — сентябре 1943 г. с целью содействия приморским флангам Южного и Северо-Кавказского фронтов, сыграли важную роль в освобождении Северного побережья Азовского моря и Таманского п-ова.