21 мая 1941 года присвоено звание вице-адмирал. В Великую Отечественную войну вице-адмирал Ф. С. Октябрьский — один из руководителей героической обороны Одессы и Севастополя. Будучи командующим Черноморским флотом, одновременно в 1941—1942 годах являлся командующим Севастопольским Оборонительным Районом. Опасаясь появления на Черном море крупных итальянских надводных кораблей или вступления Турции в войну на стороне Германии, командование Черноморского флота предприняло ряд явно избыточных мер по обороне портов, включая установку плотных минных полей, на которых погибли несколько советских эсминцев и транспортов. План эвакуации предусматривал вывоз только высшего и старшего командного состава армии и флота, партактива города. Эвакуация остальной части военнослужащих не предполагалась.. Командование Черноморского флота во главе с Ф. С. Октябрьским эвакуировалось из города на самолёте в ночь на 1 июля, а для эвакуации командования сухопутных войск, партийных и советских руководителей были предоставлены две подводные лодки. 3 июля 1942 года Совинформбюро дало сводку о потере Севастополя. Вывезти из города в течение июня удалось всего около 20 тысяч человек, преимущественно раненых, от 70 до 100 тысяч человек попали в плен.