Assegnato alla Flotta del Mar Nero, al momento dell'invasione tedesca dell'URSS nel giugno 1941 il "Vorošilov" era di stanza a Sebastopoli ma già il 23 giugno fu impegnato in una missione contro il porto romeno di Costanza: l'unità supportò il bombardamento della città ad opera dei cacciatorpediniere conduttore "Char'kov" e "Moskva" (quest'ultimo affondato dopo l'urto con una mina), riportando anche leggeri danni per lo scoppio di una mina fatta detonare dai parabordi del cacciatorpediniere "Soobrazitelny", di scorta all'incrociatore. Il 19 settembre seguente il "Vorošilov" fornì fuoco di supporto alla guarnigione di Odessa assediata dalle forze dell'Asse, colpendo le postazioni nemiche con 180 colpi da 180 mm, per poi essere trasferito nella base di Novorossijsk. Il 2 novembre 1941 l'incrociatore fu attaccato da bombardieri tedeschi Junkers Ju 88 del Kampfgeschwader 51 mentre era fermo in porto, venendo colpito due volte: una delle bombe innescò un incendio nel magazzino delle munizioni numero 3, estinto però dall'allagamento del locale causato dal secondo colpo a segno.