Уже 27 июня части вермахта вышли к Западной Двине, началась эвакуация Риги. В тот же день, командующий КБФ дал указание об эвакуации Прибалтийской военно-морской базы. В 18.00 отряд легких сил — «Киров» и пять эсминцев в сопровождении четырех ТКА вышел из Усть-Двинска и после полуночи 28 июня встал на рейде Куйвасте. Противник минировал Ирбенский пролив и устье Финского залива, для траления фарватеров не хватало тральщиков. Свободным от мин оставался пролив Муху-Вяйн, соединяющий Рижский и Финский заливы. Однако глубина его была меньше осадки крейсера, кроме того, еще в 1917 году на фарватере были затоплены старые транспорты, чтобы преградить путь кайзеровскому флоту в Финский залив… Для углубления фарватера, из Палдиски прибыл землечерпательный отряд. Трое суток непрерывно работали земснаряды, баржи и буксиры, углубляя канал до 7 м. В это же время моряки разгружали корабль, чтобы уменьшить осадку. На баржи выгрузили часть боезапаса, топлива, воды и другие грузы всего 300 т. 30 июня в 23.03 «Кирова» снялся с якоря и, ведомый буксирами двинулся по фарватеру. В 13.40 1 июля он завершил проход через углубленный канал пролива Муху-Вяйн, отдал буксиры и пошел 14-уз ходом (скорость отряда ограничивалась скоростью тральщиков, идущих с тралами).
1 июля «Киров» прибыл в главную базу — Таллин. Но недолго столица Эстонии оставалась тылом. 5 августа развернулись бои на дальних подступах к городу. Вскоре противник прорвался к побережью Финского залива восточнее Таллина, отрезав его с суши. Наступавшие на город 4 немецкие дивизии более чем в два раза превосходили по численности силы, его оборонявшие (10-й стрелковый корпус, отряды морской пехоты, рабочие полки). После прорыва танков и мотопехоты противника к главному рубежу обороны Таллина, они оказались в пределах дальности стрельбы морской артиллерии. В 20.55 22 августа 1941 г. «Киров» первым из кораблей, стоявших на Таллинском рейде, открыл огонь по наступающему противнику.
На следующий день в бой вступили другие корабли эскадры и береговые батареи флота. Морская артиллерия помогала сухопутным частям сдерживать натиск фашистских войск, темп их наступления снизился. Но, подтянув к побережью тяжелые орудия, противник начал обстрел акватории базы. 23 августа совместно с лидером «Ленинград», крейсер вел огонь по скоплению немецких танков у переправы через р. Кейла. Было уничтожено и повреждено 12 танков и рассеяно большое скопление пехоты противника.
С 25 августа в связи с усилением артиллерийских обстрелов и налетов авиации противника, корабли снимались с якорей и, следуя на малых ходах и переменными курсами под прикрытием дымовых завес, сбивали пристрелку немецких батарей, продолжая вести огонь. В этот день кораблю пришлось отразить семь массированных налетов авиации, фашисты сбросили около 50 бомб, но ни одна в корабль не попала. В палубу в кормовой оконечности попал 6-дюймовый снаряд. В результате этого в настиле палубы образовалась пробоина, были повреждены трубопроводы, возник пожар в кубрике № 12, на юте загорелись 6 больших глубинных бомб, 9 моряков были убиты, 30 ранены.
За 5 дней по «Кирову» было выпущено более 500 снарядов, самолеты люфтваффе сбросили на него 326 бомб. Благодаря умелому маневрированию и точному огню зенитчиков крейсер не получил прямых попаданий. В период обороны Таллина от разрывов авиабомб и снарядов и вблизи борта корабль получил ряд небольших повреждений. Корпус выдержал испытания, несмотря на близкие разрывы крупных бомб — разошедшихся швов и трещин в корпусе не было. Сам же «Киров» выполнил 36 стрельб, обрушив на противника 235 180-мм снарядов, в среднем по 8 снарядов за стрельбу. Артиллеристы вынуждены были экономить боезапас главного калибра, поскольку на артиллерийских складах главной базы 180-мм снарядов не было.
С получением приказа Ставки об эвакуации Таллина кораблям была поставлена задача — обеспечить ее артиллерийское прикрытие. Наши сухопутные части вечером 27 августа начали посадку на транспорты. Орудия кораблей в это время вели отсечной заградительный огонь — настолько мощный и точный, что неприятель даже не пытался проникнуть в район гаваней вслед за отходящими частями прикрытия. Прикрывая отход войск «Киров» выпустил 45 снарядов главного калибра. Отражая атаки авиации противника, зенитчики крейсера израсходовали 224 100-мм и 590 45-мм снарядов.
Корабли флота, обеспечивавшие переход конвоев были сведены в три отряда. «Киров» был включен в состав отряда главных сил. На корабле находились Военный совет КБФ и Краснознаменное знамя Балтийского флота, а также правительство Эстонии. На крейсер были погружены ценности Госбанка Эстонии.