Непосредственно с моря главную базу защищали два отдельных артиллерийских дивизиона береговой обороны (94 и 96 ОЛД). Семь батарей (32 орудия от 100- до 305-мм калибра) размещались на полуостровах Сууропи (мыс Рандвере) и Виимси и островах Аэгна и Найссар. Уже после начала войны в Таллине были построены трехорудийная 130-мм железнодорожная батарея и два бронепоезда.
Противовоздушную оборону базы обеспечивали три полка ПВО — 3-й, 4-й и 5-й в составе 26 батарей (120 орудий среднего и малого калибра). На аэродромы Таллина базировалось 85 самолетов ВВС КБФ.
Главная база КБФ готова была отразить атаку противника с моря и воздуха. Но с сухопутного направления база никаких укреплений не имела, и система обороны ее с этого направления разработана не была. Флот имел единственное подразделение для действий на суше — 1-ю бригаду морской пехоты, общей численностью более 2,5 тысячи человек. С началом войны перед бригадой была поставлена задача — оборонять побережье района главной базы от возможных десантов противника.
Даже в страшном сне Генеральный штаб Красной Армии и Главный штаб ВМФ не могли представить, что противник дойдет хотя бы до Риги, не говоря уже о Таллине. Во время Первой мировой войны германские войска взяли Ригу только в сентябре 1917-го, а Таллин — в марте 1918-го, после ухода русского флота В1941 г. гитлеровские войска вторглись на территорию Эстонии на 16-й день с начала войны.
В 23.37 21 июня флот перешел на оперативную готовность № 1.22 июня в 13.50 на береговом посту СНиС подняли сигнал «Вижу самолеты противника на осте и зюйде». Над Таллином появились самолеты-разведчики. Они были обстреляны зенитной артиллерией линкора «Октябрьская Революция». 23 июня из Таллина вышел отряд кораблей на первую боевую операцию — постановку минного заграждения в устье Финского залива.
Уже в июне в главную базу стали приходить корабли из оставленных баз. Из Либавы прибыли подводные лодки и транспорты, из Рижского залива — отряд легких сил, бригада подводных лодок, несколько транспортов. Из Моонзунда приходили для ремонта поврежденные в боях корабли. К размещению такого количества кораблей и судов база не была приспособлена. Кроме того, в Таллине оказалось множество моряков с погибших кораблей и расформированных частей.
Противник еще до начала войны начал минирование фарватеров в Финском заливе, поэтому было принято решение перебазировать линкор «Октябрьская Революция» из Таллина в Кронштадт. 1 — 2 июля линкор в сопровождении всех наличных эсминцев и БТЩ перешел в Кронштадт. 1 июля ушли в Кронштадт минзаг «Урал» и несколько вспомогательных судов, а в Лужскую губу — плавбаза и 7 подводных лодок 2-й бригады.
В первые же дни войны устье Финского залива было перегорожено несколькими рядами минных заграждений. Но этого командующему флотом вице-адмиралу В.Ф. Трибуцу показалось мало. Для прикрытия подходов к Таллину 2 июля по его приказанию минный заградитель «Суроп» в сопровождении тральщиков «Ударник», «Краб» и двух катеров МО выставил 90 мин к северу от мыса Пакринем.
3 июля лидеры «Ленинград» и «Минск», эсминец «Гордый» в обеспечении двух БТЩ и двух ТКА выставили 231 мину к западу от острова Наиссар, а минный заградитель «Марти» в сопровождении трех БТЩ, двух МО и двух ТКА выставил 300 мин к северу от острова. При выполнении постановок корабли были безрезультатно обстреляны финской береговой батареей с острова Макилуото.
Еще до начала войны на рейде была выставлена линия боновых заграждений. 1 — 2 августа сетевые заградители «Вятка» и «Онега» выставили на Таллинском рейде противолодочные сети протяженностью 2,6 мили. 11 и 14 августа для прикрытия подходов к Таллинскому рейду гидрографическое судно «Азимут» выставило к северо-востоку от острова Кери противолодочные сети протяженностью 3 мили.
19 августа шесть торпедных катеров противника пытались проникнуть на рейд главной базы, но были обнаружены дозорным катером МО у острова Кери и отогнаны артиллерийским огнем. После этого 19 — 20 августа сетевой заградитель «Онега» выставил к юго-западу от острова Наиссар противолодочные сети протяженностью 2,8 мили.
Уже в начале июля Военный совет КБФ стал проявлять беспокойство за свой тыл, особенно в южном направлении. Командующий флотом доложил наркому, что телеграфная и телефонная связь с сухопутными частями нарушена. Авиаразведка доносила, что танки противника двумя колоннами движутся одна на Псков, другая на Валк, то есть Таллин. Однако главком Северо-Западного направления маршал К.Е. Ворошилов и его штаб также не знали обстановку.
После войны нарком ВМФ Н.Г. Кузнецов в своих мемуарах писал: «Нам в Наркомате ВМФ следовало именно в эти первые дни июля самим верно оценить обстановку, сделать реальный прогноз в отношении Таллина и решительно настаивать в Ставке: “Если хотим подольше удержать Таллин, необходимо отвести туда всю 8-ю армию и спешно создать несколько линий обороны”. Но, надо признаться, в первой половине июля мы больше следили за событиями на суше около наших баз, чем руководили ими». (Н.Г. Кузнецов. На флотах боевая тревога. С. 41 — 42).
В связи с отступлением советских войск из Прибалтики ВС КБФ в начале июля принял ряд мер на случай вынужденной эвакуации главной базы. 3 июля был подписан приказ комфлота о подготовке флота к переходу в Кронштадт. В соответствии с ним командующий флотом с походным штабом (9 офицеров) должен был идти на эсминце «Яков Свердлов» (этим кораблем В.Ф. Трибуц командовал с 1935 по 1937 г.), а начальник штаба и второй эшелон штаба — на крейсере «Киров» (ЗФКП). Предполагалось ФКП флота перенести в Лужскую губу. Однако Главное командование Северо-Западного направления считало, что командованию флотом целесообразно остаться в Таллине. Нарком ВМФ Н.Г. Кузнецов доложил об обстановке И.В. Сталину, на что тот заметил: «Таллин нужно оборонять всеми силами». С этого момента флот стал принимать меры для организации обороны Таллина. Ведь Таллин не только база флота, но и столица Эстонской ССР. К этому времени уже были оставлены четыре столицы союзных республик — Рига, Вильнюс, Кишинев, началось сражение за Киев.
14 июля помощник главкома Северного и Северо-Западного фронта, заместитель наркома ВМФ адмирал И.С. Исаков направил ВС КБФ задачи флота из сложившейся обстановки. В нем, в частности, говорилось — ОЛСу оставаться в Таллине до того момента, когда обстановка на фронте вынудит разрушить базу и начать отход по суше, поддержать огнем кораблей борьбу за Таллин. Отряд поддержки (не менее 4 ЭМ с ТЩ и МО) — не уходить до начала движения береговых частей с полуострова Вимси. То есть предполагалось, что фронт будет организованно отходить на восток, а флот оказывать ему поддержку. Тогда еще не предполагалось, что Таллин будет блокирован с суши.
Командование Северо-Западным фронтом, на которое была возложена ответственность за оборону прибалтийских республик, в силу сложившейся обстановки на фронте не смогло принять необходимых мер для обороны ГВМБ КБФ Таллина. Пришлось эту задачу выполнять флоту. 15 июля Военный совет КБФ поручил инженерному отделу флота строительство оборонительных сооружений. 5 августа был создан штаб обороны ГБ.
На подходах к Таллину были сооружены три линии обороны. Главный рубеле протяженностью 50 км проходил в 9 — 12 км от города. По окраине города проходила городская линия обороны, а в самом городе строились баррикады и оборудовались узлы сопротивления. Для систематического огневого содействия сухопутным войскам на приморском фланге был выделен отряд огневой поддержки в составе канонерских лодок «Москва» и «Амгунь».
Немецкими войсками 5 августа была занята станция Тапа, перерезаны железная дорога и шоссе, развернулись бои на дальних подступах к городу. К 8 августа войска противника вышли на побережье залива в районе Локса — Кунда. 8-я армия оказалась разделенной на две изолированные части: 10-й стрелковый корпус остался в районе Таллина, 11-й — отходил к Нарве. В тот же день, 8 августа, авиацией противника в бухте Хара-Лахт у местечка Локса был потоплен эсминец «Карл Маркс».