В связи со стремительным продвижением немцев вглубь страны, что привело к потере вначале передовых (Либава, Одесса), а затем и основных (Таллин, Севастополь) баз ВМФ, флоту на время пришлось отказаться от активных самостоятельных действий. Действующие флоты в оперативном отношении в начале войны были подчинены фронтам. Руководящая роль наркома ВМФ флотами оказалась сложной, т. к. задачи перед ними ставило фронтовое командование и реже Ставка. Корабли, авиация, береговая оборона и части морской пехоты, тесно взаимодействуя с сухопутными войсками, оказывали фронтам посильную помощь на приморских направлениях. Морскую авиацию перенацелили против танковых группировок противника и вражеских самолетов, надводные корабли были привлечены огнем поддерживать приморские фланги группировок Красной Армии. Корабли флотов перевозили сотни тысяч людей, миллионы тонн различных грузов. В октябре 1941 г. на флотах и флотилиях было сформировано 25 морских стрелковых бригад, участвовавших в битве за Москву и затем во всех боях и наступлениях наших войск до самого Берлина.
Всю войну Кузнецов был бессменным главкомом советского Военно-морского флота и членом Ставки ВГК. Около 20 раз он выезжал на флоты и в штабы фронтов, руководя операциями ВМФ и координируя их с действиями сухопутных войск. Наиболее напряженно ему приходилось работать при подготовке и проведении ряда десантных операций: Керченско-Феодосийской, Новороссийской, Керченско-Эльтингенской, Петсамо-Киркинесской и др. Постоянно изучал опыт боевого применения кораблей и оперативно доводил его до флотских командиров. Много сделал для взаимодействия сил флота и армии в осуществлении как оборонительных, так и наступательных операций.
Атака морского немецкого конвоя русскими торпедными катерами. Балтийское море, август 1944 г. Художник А. К. Соколов.
В феврале 1944 г. Н. Г. Кузнецову первому в СССР было присвоено высшее воинское звание на флоте – адмирал флота, и он единственный носил погоны с четырьмя звездами, а 31 мая 1944 г. – звание Адмирал флота с маршальскими звездами на погонах, приравненное к званию маршала Советского Союза.
В ходе войны с Японией в 1945 г. Н. Г. Кузнецов руководил действиями Тихоокеанского флота и Амурской военной флотилии, находясь непосредственно в ставке Вооруженных сил Дальнего Востока, координировал действия флота с сухопутными войсками при проведении десантирования на Сахалин, Курильские острова и порты Северной Кореи. После разгрома Японии Кузнецов был удостоен звания Героя Советского Союза.
Кузнецов был одним из инициаторов создания нахимовских училищ и школ.
В 1945 г. участвовал в Крымской и Берлинской конференциях лидеров «большой тройки» – СССР, США и Великобритании. В Крыму ему пришлось решать вопросы, связанные с совместными действиями союзников в Европе, на Дальнем Востоке, военно-морскими поставками по ленд-лизу, выполнять ответственные поручения Ставки по организации и обеспечению приема и безопасности кораблей и самолетов союзных делегаций. Во время Потсдамской конференции Кузнецов участвовал в решении вопроса о разделе между союзниками германского флота. В итоге Советский Союз получил 150 боевых и более 420 вспомогательных кораблей.