לאחר שהתחמשה ב-12 טורפדות חמושים בראשים קרביים, עזבה ב-25 במאי 1967 אח"י לויתן את בסיס פזליין, בהפלגה לנמל הבית בחיפה במטרה להצטרף למלחמה הממשמשת ובאה. להפלגה הצטרף המש"ט הדר קמחי.
כדי להגיע מהר לחיפה נעשתה ההפלגה על פני המים ללא צלילה. כדי למנוע אפשרות זיהוי הצוללת בדרכה, הוחלט על מחיקת מספר הצוללת צ-75 שהיה רשום בלבן על סנפיר הצוללת משני עבריו. בליל 27/26 במאי, בהיות הצוללת צפונית לוויילס, בכניסה לים האירי, יצאו שני אנשי צוות יעקב תמיר ו גרשון בן-יהודה לבצע את המחיקה בגריז שחור. למרות אמצעי הזהירות נשטפו האנשים למים. כעבור שלושה שבועות נמצאה גופת יעקב תמיר על החוף האירי. גופתו של גרשון בן-יהודה (גלקופ) לא נמצאה.
כאשר פרצה מלחמת ששת הימים, הייתה הצוללת בדרכה, 11 ימים לאחר יציאתה מסקוטלנד. ביום כיבוש רמת הגולן וסיום המלחמה הגיעה אח"י לוויתן לקרבת קפריסין, ונכנסה לחיפה ב-11 ביוני 1967, כך שלא הספיקה לקחת חלק בפעילות הקרבית.
הפעילות בתעלת סואץ.
ההכנסות מתשלומי המעבר בתעלת סואץ היו חשובות מאוד לתקציב המצרי. לכן למרות המתיחות שיצרה העברת הכוחות לסיני, המשיכו המצרים להעביר אוניות בתעלת סואץ. עם תחילת הלחימה, ב-5 ביוני אחרי הצהריים, פסקה התנועה בתעלה ו-15 אוניות שלא הספיקו לסיים את המעבר נשארו תקועות. אלה רוכזו לעגינה באגם המר הגדול וחיל הים נדרש לבקר אותן. שתי נחתות מכוניות ששימשו ביחידה 788 בכנרת כספינות משמר הועמסו על מובילי טנקים ונשלחו לאגם. בהיותם בדרך ליד טסה השתלט אחד ממפקדי החטיבות על המובילים והנחתות הורדו מהם בלב המדבר.
מצפון לאגם המר הטביעו המצרים אוניות שחסמו את המעבר בנתיב התעלה. בהוראת שר הביטחון משה דיין הקים חיל הים, מדרום לאגם, מחסום צף הניתן לפתיחה. כך שיציאת אניות דרומה תהיה מותנית בהסכמה של ישראל.
עם התייצבות הפסקת האש הרשתה ישראל לבעלי האוניות להחליף את הצוותים והאניות עצמן, חלקן נטושות וחלקן בצוות מינימלי, נשארו במקום עד שנת 1975 עת התאפשרה פתיחת התעלה לשיט. בהמשך הן כונו הצי הצהוב, על שם חול המדבר שכיסה אותן. האניות הגיעו למצב רקבון ורק שתי האוניות הגרמניות:- "נורדוינד" ו"מונסטרלנד" הצליחו לנוע בכוחות עצמן ונכנסו ב-25 במאי לנמל המבורג בגרמניה.
הפעילות בכנרת.
בים כנרת הופעלה על ידי חיל הים יחידת שיטור ימי שכללה מספר נמ"כים. הפעילות כללה אבטחת הדיג נוכח מוצבים סוריים על החוף שפתחו באש מדי פעם. במהלך כיבוש רמת הגולן יצאו הספינות וליוו את הכוחות לאורך החוף. כיבוש הרמה איפשר לסיים את תפקיד חיל הים בכנרת. בימה חזרה לפעול יחידת השיטור הימי של משטרת ישראל.
ספינות שרבורג.
כל עת הכוננות והמלחמה נמשכה בניית ספינות הסער במספנות שרבורג. הצוות הישראלי ביצע ניסויי ים בספינה הראשונה, אח"י מבטח, שהושקה באפריל 1967. המשך האמברגו שהוטל על ידי ממשלת צרפת בעת המלחמה לא כלל את הספינות. לבנייתן בשרבורג הייתה חשיבות כלכלית רבה לעיר שסבלה מאבטלה. בעל המספנות, פליקס אמיו, עורר את סניף המפלגה הגוליסטית- שיצר לחץ פוליטי על הממשלה בפריז. הפטור מהאמברגו נומק בכך שהספינות נמסרות במצב כלי שיט בלבד.
הספנות הישראלית.
בנפרד מחסימת המצרים והפעילות נגדו בים סוף לא סבל צי הסוחר הישראלי מהתנכלויות ברחבי הימים. לאוניות המשייטות בכניסה לים התיכון ממצר גיברלטר מזרחה יש מסלול מועדף בקרבת החוף האפריקאי. כאן הזרם המזרחי החזק מסייע לתנועה וחוסך זמן ודלק. אגף הספנות הוציא הוראה להתרחק צפונה מחופי מרוקו, אלג'יריה ותוניסיה, על מנת להימנע ממפגש. לא ידוע על פעילות ציים אלה לאיתור שיט בקרבת חופיהן.
אגף הספנות תיפקד בעת המלחמה כמשק לשעת חירום. פעילות המוקד נעשתה במשרד תת-קרקעי מתחת למשרדי האגף, ובראשו עמד האלוף (מיל') שמואל טנקוס.
התגוששות המעצמות.
במהלך המלחמה נוצר עימות בין המעצמות בזירה הימית. החיכוך שנעשה בין הצי האמריקני לבין שייטת 14 של הצי הסובייטי התקיים ברציפות והתחמם בארבעה מצבי מתיחות:
בכל מצבי המתח האלה ואחרים יצר המעקב הצמוד תרומה חיובית להבנת המצב. נעשה שימוש בקו החם מוסקבה-וושינגטון והשיחות בין מנהיגי המעצמות סייעו להרפיית המתח.
התנהלות הצי הסובייטי.
כלי שיט סובייטיים עסקו במעקב אחר כוחות המשימה האמריקאים וליוו אותם מקרוב באפן רצוף. אוניות האזנה סובייטיות בדימוי ספינת דיג שייטו באופן קבוע מול נמלי הבית של הצי השישי במפרץ קדיס ונמל רוטה בספרד. החל מ-20 במאי נתגלתה אניית האזנה במסווה ספינת דיג כ-50 קילומטר מערבית מראש הנקרה.
כאשר הגיעו ידיעות מודיעין על כוונת המצרים לתקוף בנגב פעלו הסובייטים להרגיע את הרוחות. ב-27 במאי נפגש השגריר הרוסי במצרים בשעות הקטנות של הלילה עם גמאל עבד אל נאצר והעביר לו מסר אישי מאלכסי קוסיגין, ראש ממשלת ברית המועצות, שלא יתחיל במלחמה כי אז לא יוכלו לעזור לו.
ב-30 במאי נכנסה אניית אם לצוללות, "ויקטור קוטלניקוב", עם שתי צוללות S-154 וS-160 מהצי הבלטי לים התיכון. ב-30 במאי החלה אניית ביון רוסית לעקוב אחרי נושאת המטוסים "סרטוגה". ב-1 ביוני עלתה המתיחות מדרגה כאשר לראשונה החלה משחתת טילים סובייטית לעקוב אחרי נושאת המטוסים "אמריקה" כ-70 קילומטר מדרום לכרתים. באותו יום פרסם הוושינגטון פוסט מאמר על ריכוז הכוח הסובייטי ומפקד הצי השישי צוטט שזהו ריכוז הכוח הגדול ביותר עד אז.
ב-2 ביוני זכתה גם נושאת המטוסים הבריטית "ויקטוריוס" במלטה לליווי של משחתת "נסטוצ'יבני".
ב-4 ביוני קיבלו הכוחות הסובייטיים הוראה להיות בכוננות מוגברת של 30 דקות להפעלה ובאבטחה מיוחדת נגד חבלה תת-מימית. למרות הכוננות מדווחים הסובייטים כי הופתעו מפתיחת המלחמה ב-5 ביוני. הם העריכו שמלחמה תפרוץ בהתקפה ערבית אך לא ידעו מתי. לא הבחינו בתנועות מיוחדות של ישראל או הצי האמריקני ולא נתקבל כל סימן התרעה. בעת פריצת המלחמה הייתה השייטת הסובייטית באזור צפון מערבית לאי כרתים. מפקד הכוח היה אדמירל סוסיוב בסיירת "סלבה".
הצוללת K-131 נמצאה בים האדריאטי ונשאה 8 טילי שיוט מדגם P-5 בעלי ראש נפץ במשקל 1,000 ק"ג המפקד קוליניצ'נקו קיבל הוראה להגיע למחרת בלילה לחופי ישראל ולהתכונן לפגוע בתל אביב. הקצאת הזמן בפקודה הייתה לא ריאלית. לפיקוד הים השחור הייתה זו הפעם הראשונה להפעיל צוללת אטומית לכן רבו אי ההבנות. היו גם קשיים טכניים להסב טילי השיוט שיועדו נגד כלי שיט על מנת שיתאימו נגד מטרות חוף. מאוחר יותר שונתה הפקודה לצוללת והיא חזרה לעקוב אחרי נושאות מטוסים אמריקאיות ובריטיות שוודאי יגיעו למזרח הים התיכון.
נערך דיון בפוליטביורו שבו תמכו יורי אנדרופוב ומזכיר המפלגה במוסקבה בהתערבות, אך ראש הממשלה אלכסיי קוסיגין התנגד נמרצות. הוכנו מפציצי טופולב Tu-16 בצבעים מצריים ונשלחו מאוקראינה לקווקז. הדבר התגלה ופורסם בעיתונות המערבית.
המעקב הסובייטי אחרי הצי השישי האמריקני איפשר הבהרה מהירה בקשר להאשמה שהטיל גמאל עבד אל נאצר יחד עם חוסיין מלך ירדן, כי מטוסים אמריקניים השתתפו בתקיפות שחיסלו את הכוח האווירי הערבי ב-5 ביוני. ההאשמה נלקחה ברצינות על ידי הסובייטים וראש הממשלה קוסיגין ביקש בקו האדום הבהרות. תשובת הנשיא לינדון ג'ונסון הייתה שלילית ונאמר לו שיבדוק עם האדמירל שלו וזה יגיד לו שמטוסים אמריקנים אינם מעורבים במלחמה. השאלה הועברה למפקדת הצי הסובייטי וממנה לאדמירל סוסוייב מפקד הכוח בים התיכון. סוסוייב קיים שיחת קשר פתוחה עם כל מפקדי כלי השיט הרלוונטיים וחזר עם תשובה שלילית שהרגיעה את הרוחות בקרמלין.
מפקד חיל הים הסובייטי, אדמירל סרגיי גורשקוב, הגדיר את המשימות ליחידות הצי הסובייטי בים התיכון:
מתח נוסף נוצר ב-10 ביוני, עם תחילת המתקפה הישראלית ברמת הגולן. השגריר הישראלי במוסקבה קיבל מכתב על ניתוק היחסים של ברית המועצות עם ישראל. בקו החירום האדום הודיע קוסיגין שאם ישראל לא תפסיק את המתקפה, ינקטו פעולות עצמאיות.
הצי הסובייטי קיבל הוראה להתכונן להורדת כוח רגלי בחוף לטקיה כדי להגן על אזרחים סובייטיים בסוריה. כל אנייה העמידה מחלקה לרשות הכוח ויחד 500 לוחמים. כן נדרשו להתכונן לסיוע בתותחי האניות. לדעת הסובייטים הנכונות שלהם להתערב בסוריה גרמה להפסקת הלחימה על ידי ישראל.
הבטיחות הגרועה בצוללות היוותה נקודת תורפה של הצי הסובייטי באותן שנים. ב-15 ביוני 1967, כתוצאה משגיאת הפעלה של אחד מאנשי הצוללת, ארעה שרפה במרכז השליטה של הצוללת B-31, בהיותה מדרום לסיציליה. התוצאות היו 4 הרוגים וחוסר שליטה מוחלט בצוללת. אניות צי אחרות פגשו וגררו אותה לאי למפדוזה מהחום הרב לא ניתן היה לשמר את הגופות. הייתה זו הפעם הראשונה מאז מלחמת העולם השנייה שנערכה קבורה בים.
לסיכום – בתקופה שבין 24 במאי ועד 14 ביולי 1967 פעלו במסגרת הכח הימי הסובייטי בים התיכון: 18 צוללות, מתוכן שתים בהנעה אטומית ושלוש נושאות טילים גרעיניים, 28 כלי שיט מלחמתיים מסוגים שונים, ארבע ספינות ביון, ו-11 אניות עזר ולוגיסטיקה.
לאחר שוך הקרבות נוצר משבר אמון בין הערבים לברית המועצות, עקב ההרגשה ברחוב הערבי שההפסד נבע מסיוע לא מספיק או מנשק לא עדיף של ברית המועצות. להקלת המצוקה הגיעה משלחת בראשות ניקולאי פודגורני למצרים ובעקבותיה הוחלט על הכנסת הצי הסובייטי ל"ביקור עבודה" של שבוע ימים בנמלי מצרים וסוריה. ב-10 ביולי נכנסו כלי השייטת הסובייטית בו-זמנית לנמלי מצרים וסוריה ומפקדים הודיעו כי יגנו על העיר מפני כל תוקף. הכניסה החגיגית לפורט סעיד התקלקלה למחרת כאשר במבואות הנמל הושמדו שתי טרפדות מצריות מדגם P-183 בקרב רומני.