1939年9月，战争在欧洲爆发。苏联先后强迫合并波罗的海沿岸各国，取得了更多的海军基地。随后又发动“冬季战争”。苏联海军在对芬兰战争中有所贡献，但也暴露出许多弱点。库兹涅佐夫担负海军领导工作后，苏联海军有长足的进步。他在回忆录里写道：“1941年前，我们有将近600艘战舰。在各个海区里有3艘战列舰、7艘巡洋舰、59艘驱逐舰、28艘潜艇。”此外，还有269艘鱼雷艇和2500多架飞机。战前苏联海军情报系统就拿到德军攻苏的情报，库上报时也比较客观，不象情报局长菲利普·伊万诺维奇·戈利科夫那样顺杆儿爬，净捡斯大林爱听的说。1941年3月3日，在库兹涅佐夫的提议下，海军总司令部发出指示各舰队对来犯者无须警告即可开炮的训令。6月19日和20日，海军人民委员部命令波罗的海舰队和黑海舰队转入二级战备状态。

6月21日（星期六）晚上11点，铁木辛哥元帅召见库兹涅佐夫，命令苏军进入完全战备状态。库兹涅佐夫立即通过电话向波罗的海舰队和黑海舰队传达命令。6月22日凌晨，德军向苏联发动突然袭击。海军不但受损最小，还立即动用海军航空兵发动反击。次日，苏联政府组成以铁木辛哥为主席的最高统帅部大本营，成员有朱可夫、斯大林、莫洛托夫、伏罗希洛夫、布琼尼和库兹涅佐夫。30日，成立斯大林为首的国防委员会。8月8日，斯大林为首的最高统帅部大本营组成，库兹涅佐夫未能成为大本营成员。

库兹涅佐夫时的苏联海军是一支防御性力量，不是用于单独和敌国舰队作战，而是用于护航和保卫交通线，配合陆空军完成各种任务的。海军总司令部下辖参谋部、政治部、航道测量部、海军航空兵司令部、海防炮兵司令部等职能部门，以及北方、波罗的海、黑海、太平洋4个舰队和平斯克等5个区舰队。战争初期的苏联海军遭到严重损失。但是，8月上旬，库兹涅佐夫组织海军航空兵出人意料地实施了对柏林的轰炸。

1941年8月初，苏联最高统帅部。库兹涅佐夫将一张特制的波罗的海地图摊开在斯大林面前。图上，一条清晰的直线赫然画在厄塞尔岛与柏林之间。面对迷惑不解的斯大林，他将自己的计划和盘托出：使用海军航空兵轰炸柏林！

库兹涅佐夫还没说完，喜怒不形于色的斯大林一脸惊讶：提出这一建议需要足够的勇气和胆识！库兹涅佐夫当然也清楚，执行这样的任务必须挑选最勇敢的飞行员，带上足够多的燃油，采取最有利的飞行高度，充分利用飞机的最大活动半径，无论遇到什么情况投弹后都要毫不迟疑地沿直线返航，否则就只能在敌领土降落……但是，一旦轰炸成功，其意义将不可估量。这样的冒险，值！

在详细听取了库兹涅佐夫的说明和论证之后，斯大林锐利的目光扫视了这位年轻的海军中将片刻，重重地点了点头，并嘱咐说：“你要亲自负责完成这个战役！”

1941年8月7日夜。15架满载油料和炸弹的飞机从厄塞尔岛滑离跑道，直奔西南方向飞去。8日凌晨，第三帝国首都柏林沉浸在一片寂静之中。被戈培尔的宣传搞得晕头晕脑的观察哨值班员们，连做梦都没有想过他们的头顶上会出现苏联飞机，当他们喋喋不休地发出信号，询问“你们是哪个部队的飞机？”“飞到哪里去？”时，15个“不速之客”已飞抵柏林市中心上空，将7500公斤炸弹投向了目标，随即掉头便走。返航途中，兴奋的飞行员们已完全把敌人漫天搜索的探照灯，四处飞舞的高射炮弹抛在脑后。

首次轰炸柏林成功。接着又是9次行动。正为战场上的胜利而兴奋不已的希特勒遭此打击，发出了野兽般的嚎叫：“必须消灭苏联海军！占领苏联所有海军基地！”

苏联海军并没有被消灭。北方、黑海、太平洋舰队仍在继续作战，波罗的海舰队则撤往喀琅施塔得。波罗的海舰队只控制着列宁格勒沿岸的狭小海域。9月，库兹涅佐夫来到列宁格勒看望舰队官兵。此后，该舰队的岸炮、舰炮、水兵都一起投入列宁格勒保卫战。10月5日，库兹涅佐夫忍痛签署解散平斯克区舰队的命令。

卫国战争使苏联海军的作战组织形式得到发展。作为海军总司令，库兹涅佐夫向最高统帅部提出坚守敖德萨的建议，组成“敖德萨防御地域”。陆海空军部队在敖德萨坚守72天，10月中旬才撤退。接着，塞瓦斯托波尔防御地域组成。斯大林和库茨涅佐夫签署了保卫该城的训令。根据海军总司令的建议，黑海舰队司令菲利普·谢尔盖耶维奇·奥克佳布里斯基被任命为指挥官，负责指挥该地域内的陆海空军，保卫塞瓦斯托波尔也成为整个黑海舰队的事业。

库兹涅佐夫的海军人民委员部奉命撤出莫斯科，只留下最需要的人员。10月18日 国防委员会决定组建25个海军步兵旅。库兹涅佐夫下令各舰队抽调4万人作为骨干。12个海军步兵旅、团迅即成为保卫莫斯科的重要力量之一。1942年春天，海军陆战队正式成为苏联海军的组成部分。

战争的第二年，战局对苏军仍十分严峻。在北方，北方舰队承担着护运盟国舰队的任务，经常与德国舰队发生激战。波罗的海舰队在列宁格勒附近仍处于胶着状态。在南方，塞瓦斯托波尔最终失守，但黑海的制海权仍掌握在黑海舰队的手中。

1943年，苏军在斯大林格勒取得转折性的胜利，苏联海军的任务也发生了变化。库兹涅佐夫下令黑海舰队打击敌军的交通线，保障苏军海上运输。这年春天，库兹涅佐夫两次来到黑海，为反攻选择适当的登陆场。8月中旬，库兹涅佐夫受斯大林委派再次来到黑海考察，选择新罗西斯克作为登陆场。9月9日，登陆成功。10月20日，库兹涅佐夫受命来到黑海，组织海军参加解放克里米亚的战斗。11月，刻赤解放。

在战争爆发的两年半中，苏联海军又重新建立亚速海、奥涅加等7个区舰队。海军航空兵也做了改编：取消混编航空兵旅，组建歼击航空兵师、轰炸航空兵师、强击航空兵师和水（鱼）雷航空兵师。这些措施提高了苏联海军的战斗力，为粉碎敌人进攻做出了贡献。

1944年初，德军对列宁格勒的包围被打破。为了鼓励海军将士，在库兹涅佐夫的主持下，海军人民委员部设立乌沙科夫勋章、纳希莫夫勋章和奖章。此举得到最高苏维埃的批准。解放克里米亚的战役于1944年4月8日开始。5月12日，塞瓦斯托波尔为苏军收复。库兹涅佐夫再次来到黑海，检阅了黑海舰队。此时，苏军早已冲出国境，盟军第二战场也已开辟。卡累利阿被占领，苏联海军也在乘胜前进。

战争最后一年，德国法西斯败局已定。2月，苏美英三国首脑在黑海北岸的雅尔塔举行会议。库兹涅佐夫海军上将参加这次会议，向盟国提出把投降的意大利军舰向苏联分配的要求。美国海军作战部长欧内斯特·约瑟夫·金海军上将表示同意。后来苏联得到了250艘各类军用舰只。这件事使得最高统帅相当满意。从雅尔塔回到莫斯科，库兹涅佐夫得到通知：从2月2日起，库兹涅佐夫和华西列夫斯基元帅、安东诺夫大将一起成为最高统帅部大本营成员。5月8日德国投降。6月库兹涅佐夫来到柏林，波茨坦会议后，苏联准备对日宣战。8月8日，库兹涅佐夫飞到赤塔，指挥海军同陆军的协调作战，直到日本投降后方返回。1945年9月4日，苏联国防委员会解散，最高统帅部停止活动。库兹涅佐夫被授予苏联英雄称号，获得金星奖章与列宁勋章。

战后一歇下来，又重抓阶级斗争。陆军的朱可夫成了波拿巴分子，贬出中央。空军总司令亚历山大·亚历山德罗维奇·诺维科夫被逮捕入狱，关押了6年。炮兵主帅尼古拉·尼古拉耶维奇·沃罗诺夫沦为教书匠。1947年斯大林下令逮捕库兹涅佐夫、加列尔（海军上将）、阿拉福佐夫（海军上将）、斯捷潘诺夫（海军中将），罪名是和美、英交换情报时让苏联受了损失。1942年9月，苏联和英国签署了双方海军之间有关海军军事技术和军事情报的互助协议，此后苏联又和美国签署了类似协议，斯大林曾亲自批准把苏联海军手里的德国鱼雷赠送给英国供其研究。这种双向交流，实际上苏联得到了更多好处。经过审查，没查出库有问题，最后军事总检察长乌尔利希上将宣布处理结果。其余几个将军判了时间不等的徒刑，库被降为少将，调到太平洋舰队工作。

库兹涅佐夫是个技术型干部，海军专业能力非常强，斯大林喜欢这种人。越是这样的人越得整治，看他能否经受考验，以堪重用。库经受住了考验，1950年又被任命为太平洋舰队司令，1951年7月再度出任海军部长（即海军总司令）。1953年，库兹涅佐夫担任国防部第一副部长兼海军总司令。1955年3月，被授予苏联海军元帅军衔。1955年10月苏联战列舰“新罗西斯克号（Novorossiysk）”号在塞瓦斯托波尔港爆炸沉没，这是当时苏联最大、战斗力最强的军舰，是原来意大利海军的“凯撒”号，波茨坦协定中作为战败国的战争赔偿交给苏联的（现在有说法是原意大利海军蛙人所为）。1955年年底库被解除国防部第一副部长兼海军总司令职务，第二年2月降为海军中将退役。其职务由谢尔盖·格奥尔吉耶维奇·戈尔什科夫接任。1974年12月6日，库兹涅佐夫在莫斯科去世，终年72岁，葬于红场克里姆林宫宫墙下。

1988年戈尔巴乔夫上台后重新审视了苏联历史上的冤案，恢复了库兹涅佐夫的苏联海军元帅军衔。各种出版物都说库兹涅佐夫一生很冤枉，说他因没和赫鲁晓夫以及国防部长朱可夫搞好关系才被解职降衔，事实并非如此。

一支军队总得有个纪律，像当今俄罗斯军队，“库尔斯克”号沉没了，海军总司令弗拉基米尔·库罗耶多夫一样被撤职。《苏联军事百科全书》称他为“苏联海军军事家”，一艘航空母舰和一所海军学院均以他的名字命名，充分肯定了这位海军统帅的历史地位。

库兹涅佐夫，苏联海军元帅，1945年获得“苏联英雄”称号。他获得过的其他荣誉有：4枚列宁勋章，3枚红旗勋章，2枚一级乌沙科夫勋章等。俄罗斯一艘航空母舰以其名字命名。

有回忆录《前夜》、《海军的战斗警报》、《走向胜利》等。

我的整个生命和红海军紧密联系着，我年轻时就做出了这个选择，并且永不后悔！—库兹涅佐夫