С начала июля 1941 г. из состава экипажа крейсера были сформированы две роты морской пехоты, часть моряков получила назначения на другие корабли. На борту «Петропавловска» остались в основном специалисты артиллерийской и электромеханической боевых частей.

Учитывая обстановку, сложившуюся на ленинградском направлении, командование Балтийского флота приняло решение ввести в строй артиллерию главного калибра крейсера и использовать его в обороне города как плавбатарею.

17 июля 1941 г. за подписью начальника Научно-технического комитета ВМФ инженер-контр-адмирала Жукова был издан приказ № 00316, согласно которому оставшаяся часть экипажа и привлеченные рабочие ленинградских заводов приступили к работам по срочному вводу в строй башен главного калибра I и IV и систем механизмов, обеспечивавших их использование. Полученная из Германии часть зенитной артиллерии (одна спаренная 37-мм и восемь 20-мм установок) были установлены ранее, о чем после проведенного отстрела 4 июля был составлен соответствующий акт.

14 августа 1941 г. крейсер «Петропавловск» отбуксировали в Угольную гавань Ленинградского торгового порта. 15 августа на крейсере подняли военно-морской флаг и была начата приемка боезапаса.

К началу боевых действий в качестве плавбатареи экипаж корабля насчитывал 408 человек, в том числе 29 человек командного состава.

После 7 сентября крейсер стрелял почти ежедневно. Для корректировки огня на передний край были посланы корректировочные посты. 9 сентября погибли лейтенанты Д.И. Файн и М.А. Тимко – командиры корректировочных постов «Петропавловска».

11 сентября во время стрельбы на 22-м выстреле взрывом снаряда в канале ствола было выведено из строя левое орудие 20,3-см башни I. По предположению артиллеристов корабля причиной этого стала неисправность баллистического наконечника полубронебойного снаряда, который разламывался при выстреле на части, и их падение неоднократно наблюдалось вблизи корабля. Предполагается, что при выстреле очередного снаряда была повреждена нарезка ствола, и при следующем выстреле осколочно-фугасным снарядом с взрывателем непредохранительного типа произошла его задержка и взрыв.

8 сентября впервые открыл огонь по немцам крейсер «Максим Горький». Он подорвался на мине еще 23 июня и потерял носовую часть по 60-й шпангоут. В Кронштадте ему приварили новую носовую часть, сделанную в Ленинграде на Балтийском заводе. 1 августа крейсер вывели из дока. 24 августа «Максим Горький» был поставлен на огневую позицию у Хлебного маяка Ленинградского торгового порта.

В тот же день, 8 сентября, форт «Тотлебен» вел интенсивный огонь по финнам в районе поселков Александровка и Белоостров. Линкор «Октябрьская Революция», крейсер «Киров» и батареи Ижорского укрепрайона вели артиллерийский огонь по скоплениям войск противника в районе Заостровье – Дятлицы – Готобужи.

9 сентября линкор «Марат» вел огонь по немцам в районе Дятлицы – Тепень. От интенсивного огня разорвалось среднее 305-мм орудие башни № 1.

В тот же день крейсер «Киров» вел огонь по шоссе южнее Дятлицы.

10 сентября линкор «Октябрьская Революция» и крейсер «Киров» вели огонь по немцам в районе Дятлицы и в районе Глухово. Линкор «Марат» и крейсер «Максим Горький» вели огонь по немцам в районе Кипень.

Батареи кронштадтских фортов вели огонь по противнику в районе реки Сестры, поселков Оллила и Александровка. Батареи Кронштадтского укрепленного сектора обстреляли финнов в районе Куоккала – Метсякюля. По советским данным, был уничтожен один танк и сбит аэростат наблюдения противника.