Во главе бригады вступил в боевые действия Черноморского флота в Великой Отечественной войне в июне 1941 года. Как крупный флотский начальник впервые отличился в обороне Одессы и особенно в сентябре 1941 года при высадке Григорьевского десанта. С октября 1941 года командовал Азовской военной флотилией, во главе которой участвовал в Донбасско-Ростовской оборонительной операции, в Керченско-Феодосийской десантной операции, в оборонительном этапе битвы за Кавказ. После расформирования флотилии, с августа 1942 года — заместитель командующего Новороссийского оборонительного района по морской части — член Военного Совета, участник Новороссийской оборонительной операции. В ноябре 1942 года временно командовал войсками 47-й армии, оборонявшейся в районе Новороссийска (единственный случай командования флотским военачальником общевойсковой армией в Великой Отечественной войне). Впрочем, сам С. Г. Горшков полагал, что его исключительное назначение было слишком кратковременным и не официальным, да и командовать сухопутными соединениями ему фактически не пришлось, поскольку в отсутствии командарма имелись другие пехотные опытные начальники, а он являлся лишь координатором совместных действий пехотинцев и моряков.