1941年，苏德战争爆发，舰队先后参加了敖德萨保卫战、塞瓦斯托波尔保卫战、高加索保卫战等。战争初期，舰队水面舰只主动出击罗马尼亚康斯坦察，但遭到重大损失。此后，参加了新罗西斯克-塔曼与刻赤－埃利季根登陆作战。1944年4月，参加解放克里木半岛作战，先后收复敖德萨、塞瓦斯托波尔，整个战役，舰队航空兵抽调了飞机404架－后达430架（舰队航空兵此时全部编成拥有飞机650架），一般进驻北塔夫里亚机场，其余驻在格连治克和塔曼半岛地域。作战中出动6323架次，广泛使用了俯冲平桅轰炸法，共击沉舰船68艘，击伤55艘，击落敌机81架（航空兵为切断敌海上交通线出动7489架次，其中黑海舰队航空兵出动4506架次， 空军第4、8集团军出动1764架次，远程航空兵出动1219架次，与水面舰艇联合突击，击沉敌运输船40艘、作战与辅助舰艇38艘）。潜艇部队可作战总数仅12艘，战役期间在塞瓦斯托波尔至罗马尼亚各港口交通线上活动有7－9艘，出航22次，击沉战斗舰艇5艘、运输船8艘，击伤战斗舰艇1艘、运输船2艘。鱼雷艇部队在战役爆发前从原停泊的斯卡多夫斯克先后转移到卡兰德阿湾、耶夫帕托里亚和雅尔塔。4月11日－5月12日出航268艘次，击沉舰船12艘；其中5月9－12日出动31艘（268艇次），进行攻击27次，击沉自行驳船2艘、登陆驳船1艘、猎潜艇1艘，击伤舰船5艘。之后，又参与雅西－基什尼奥夫战役。战役中，黑海舰队与多瑙河区舰队出动2万人，损失199人（纯减员61人）；击沉击伤敌舰船47艘，迫使德军于9月初在普拉霍瓦河自沉舰船200艘（S艇3艘、R艇13艘、猎潜艇3艘、火炮驳船5艘等），在苏利纳自沉潜艇3（U－19、20、23）、艇船80艘（猎潜艇6艘等）。此外，1944年8月24日德军将丧失动力装置的潜艇U－18、 24， S－28、49、72、149以及猎潜艇 KT 39、UJ 115、301、302自沉。