Положение защитников Таллина осложнялось тем, что у них не было резерва сил, а надеяться на подход подкреплений было нельзя. Транспорты, уходившие из Таллина, вывозили раненых и гражданское население, обратно они доставляли провиант, вооружение и боеприпасы, пополнение личным составом или новые воинские подразделения в Таллин не направлялись — начались бои на дальних подступах к Ленинграду.
В обороне Таллина с суши участвовало около 16 тыс. моряков, действовавших в составе 1-й отдельной бригады морпехоты, отдельных строительных батальонов и других частей. С боевых кораблей на сухопутный фронт были направлены отряды моряков. Все ручное оружие для них и пулеметы были выделены из запасов кораблей и частей флота. Но, несмотря на отвагу и лихость, корабельные специалисты не могли заменить обстрелянных пехотинцев.
В связи со сложной минной обстановкой на фарватере Таллин — Кронштадт начальник штаба флота представил 12 августа Военному совету КБФ доклад о необходимости немедленного перебазирования Отряда легких сил (крейсер «Киров», два лидера и новые эскадренные миноносцы) из Таллина в Лужскую губу или Кронштадт.
13 августа Военный совет флота обратился в Ставку с предложением перебросить с Ханко 20 тысяч бойцов для обороны Таллина. Но 14 августа была получена директива наркома ВМФ, требующая оставаться в Таллине и обороняться имеющимися силами.
Более того, 14 августа приказом главнокомандования Северо-Западного направления ответственность за оборону Таллина была полностью возложена на Военный совет КБФ. Ему был подчинен 10-й СК, командир корпуса генерал-майор И.Ф. Николаев был назначен заместителем командующего флотом по обороне ГБ с суши.
19 августа противник начал артиллерийскую обработку юго-восточного и восточного участков обороны, подтягивать пехоту и танки и 20-го перешел в наступление по всему фронту. Главный удар был нанесен с востока в прибрежной полосе. В течение трех дней советские войска при поддержке авиации, корабельной и береговой артиллерии отражали ожесточенные атаки противника.
В период подготовки обороны Таллина на внутреннем рейде были оборудованы якорные огневые позиции, предусмотрены районы огневого маневрирования кораблей на внешнем рейде, определены секторы обстрела кораблей. Были развернуты наблюдательно-корректировочные посты для кораблей и береговых батарей. В войска направлены флотские офицеры-артиллеристы, которые корректировали огонь корабельной артиллерии и батарей береговой обороны.
10-й стрелковый корпус имел только 36 орудий среднего (85–152-мм) и 28 малого (37–76-мм) калибра. В связи с этим для огневого содействия сухопутным войскам было привлечено 96 орудий флота — 37 береговых и 59 корабельных.
В огневом содействии принимали участие крейсер «Киров», лидеры «Минск» и «Ленинград», эсминцы «Гордый», «Славный», «Свирепый», «Скорый», «Сметливый», «Калинин», «Володарский», канонерские лодки «Москва», «Амгунь», 7 батарей береговой обороны. Всего в отражении наступления участвовали: 4 305-мм, 9 180-мм, 8 152-мм, 33 130-мм и 20 100-мм орудий.
После прорыва танков и мотопехоты к главному оборонительному рубежу Таллина они оказались в пределах дальности стрельбы главных калибров морской артиллерии. 22 августа крейсер «Киров» и 305-мм башенная батарея острова Аэгна открыли огонь по противнику в районе мызы Кейла.
На следующий день в бой вступили другие корабли эскадры и береговые батареи флота. Морская артиллерия помогала сухопутным частям сдерживать натиск фашистских войск, темп их наступления снизился.
23 августа «Киров» совместно с лидером «Ленинград» вел огонь по скоплению немецких танков у переправы через р. Кейла. Было уничтожено и повреждено 12 танков и рассеяно большое скопление пехоты противника. Лидер «Минск» подавил двухорудийную гаубичную батарею.
Под натиском превосходящих сил противника основная часть советских войск 25 августа отошла на главную линию обороны Таллина, остальные — к Палдиски. К этому времени вся территория, которая удерживалась советскими войсками, а также рейды и гавани простреливались артиллерией противника.
Крейсер «Киров» ведет огонь по врагу.
С 25 августа в связи с усилением артиллерийских обстрелов и налетов авиации противника корабли периодически снимались с якорей и, следуя на малых ходах и переменными курсами под прикрытием дымовых завес, сбивали пристрелку немецких батарей, продолжая вести огонь. Основной целью немецких летчиков и артиллеристов был крейсер «Киров». В этот день кораблю пришлось отразить семь массированных налетов авиации, фашисты сбросили около 50 бомб, но ни одна в корабль не попала. Более удачными были немецкие артиллеристы — в кормовую оконечность попал 6-дюймовый снаряд. В результате взрыва в настиле палубы образовалась пробоина, возник пожар, 9 моряков были убиты, 30 ранены.
За 5 дней по «Кирову» было выпущено более 500 снарядов, самолеты Люфтваффе сбросили на него 326 бомб. Благодаря умелому маневрированию и точному огню зенитчиков крейсер не получил прямых попаданий. От разрывов авиабомб и снарядов вблизи борта «Кирова» в наружной обшивке борта и надстройках образовалось 45 пробоин, но серьезных повреждений корабль не получил. Сам же «Киров» выполнил 36 стрельб, обрушив на противника 235 180-мм снарядов, в среднем по 8 снарядов за стрельбу. Комендоры вынуждены были экономить боезапас главного калибра, поскольку на складах главной базы 180-мм снарядов не было.