Когда "Новороссийск" обосновался в Севастополе, командование Черноморским флотом отдало приказ - в кратчайшие сроки превратить корабль в полноценную боевую единицу. Дело осложнялось тем, что часть документации отсутствовала, да и военно-морских специалистов, владевших итальянским языком, в СССР практически не было. 

В августе 1949 года "Новороссийск" принял участие в маневрах эскадры в качестве флагмана. Впрочем, его участие было скорее номинальным, поскольку за три отпущенных месяца привести линкор в порядок не успели (да и не могли успеть). Однако политическая обстановка требовала продемонстрировать успехи советских моряков в освоении итальянских кораблей. В итоге эскадры вышла в море, а разведка НАТО убедилась, что "Новороссийск" плавает. 

С 1949 по 1955 год линкор восемь раз находился в заводском ремонте. На нем установили 24 спаренные установки советских 37-мм зенитных автоматов, новые радиолокационные станции, средства радиосвязи и внутрикорабельной связи. Также заменили итальянские турбины на новые, изготовленные на Харьковском заводе. В мае 1955 года "Новороссийск" вошел в строй ЧФ и до конца октября несколько раз выходил в море, отрабатывая задачи по боевой подготовке. 

28 октября 1955 года линкор вернулся из последнего похода и занял место в Северной бухте на "линкорной бочке" в районе Морского Госпиталя, примерно в 110 метрах от берега. Глубина воды там составляла 17 метров воды и еще около 30 метров вязкого ила. 

Взрыв

На момент взрыва командир линкора капитан 1 ранга Кухта находился в отпуске. Обязанности его исполнял старший помощник капитан 2 ранга Хуршудов. Согласно штатному расписанию, на линкоре находились 68 офицеров, 243 старшины, 1231 матрос. После того как "Новороссийск" ошвартовался, часть экипажа съехала в увольнение. На борту оставались более полутора тысяч человек: часть экипажа и новое пополнение (200 человек), курсанты морских училищ и солдаты, накануне прибывшие на линкор. 

29 октября в 01:31 по московскому времени под корпусом корабля с правого борта в носу раздался мощный взрыв. По оценкам специалистов, его сила была эквивалентна взрыву 1000-1200 килограммов тринитротолуола. С правого борта в подводной части корпуса образовалась пробоина площадью более 150 квадратных метров, а с левого борта и вдоль киля - вмятина со стрелкой прогиба от 2-х до 3-х метров. Общая площадь повреждений подводной части корпуса составляла около 340 квадратных метров на участке длиной 22 метра. В образовавшуюся пробоину хлынула забортная вода, и через 3 минуты возник дифферент в 3-4 градуса и крен в 1-2 градуса на правый борт. 

В 01:40 о случившемся сообщили командующему флотом. К 02:00, когда крен на правый борт достиг 1,5 градуса, начальник оперативного управления флота капитан 1 ранга Овчаров приказал "буксировать корабль на мелкое место", и подошедшие буксиры развернули его кормой к берегу. 

К этому времени на линкор прибыли командующий Черноморским флотом вице-адмирал В.А.Пархоменко, начальник штаба флота вице-адмирал С.Е.Чурсин, член Военного Совета вице-адмирал Н.М.Кулаков, исполняющий обязанности командующего эскадрой контр-адмирал Н.И.Никольский, начальник штаба эскадры контр-адмирал А.И.Зубков, командир дивизии крейсеров контр-адмирал С.М.Лобов, начальник Политуправления флота контр-адмирал Б.Т. Калачев и еще 28 старших офицеров штаба. 

В 02:32 обнаружился крен на левый борт. К 03:30 на палубе выстроилось около 800 ничем не занятых моряков, у борта линкора стояли спасательные суда. Никольский предложил перевести на них матросов, но получил категорический отказ Пархоменко. В 03:50 крен на левый борт достиг 10-12 градусов, при этом буксиры продолжали тянуть линкор влево. Спустя 10 минут крен возрос до 17 градусов, тогда как критическими были 20. Никольский вновь попросил у Пархоменко и Кулакова разрешения эвакуировать незанятых борьбой за живучесть моряков и опять получил отказ. 

"Новороссийск" стал опрокидываться кверху днищем. Несколько десятков человек успели перебраться в шлюпки и на соседние корабли, но сотни моряков посыпались с палубы в воду. Многие остались внутри гибнущего линкора. Как потом объяснял адмирал Пархоменко, он "не счел возможным заблаговременно приказать личному составу оставить корабль, так как до последних минут надеялся, что корабль будет спасен, и не было мысли, что он погибнет". Эта надежда стоила жизни сотням людей, которые, упав в воду, были накрыты корпусом линкора. 

К 04:14 "Новороссийск", принявший более 7 тысяч тонн воды, накренился до роковых 20 градусов, качнулся вправо, столь же неожиданно повалился влево и лег на борт. В таком положении он оставался несколько часов, уперевшись в твердый грунт мачтами. В 22:00 29 октября корпус полностью исчез под водой. 

Всего при катастрофе погибло 609 человек, включая аварийные партии с других кораблей эскадры. Непосредственно в результате взрыва и затопления носовых отсеков погибли от 50 до 100 человек. Остальные погибли при опрокидывании линкора и после него. Своевременной эвакуации личного состава организовано не было. Большинство моряков остались внутри корпуса. Часть из них длительное время держались в воздушных подушках отсеков, но спасти удалось лишь девять человек: семь вышли через прорезанную в кормовой части днища горловину спустя пять часов после опрокидывания, и еще двух вывели через 50 часов водолазы. По воспоминаниям водолазов, замурованные и обреченные на смерть моряки пели "Варяга". Только к 1 ноября водолазы перестали слышать стуки. 

Летом 1956 года экспедиция особого назначения "ЭОН-35" приступила к подъему линкора методом продувания. Подготовка к подъему была полностью завершена к концу апреля 1957 года. Генеральную продувку начали с утра 4 мая и в тот же день завершили подъем. Корабль всплыл кверху килем 4 мая 1957 года, а 14 мая его отвели в Казачью бухту, где и перевернули. При подъеме корабля вывалилась третья башня главного калибра, которую пришлось поднимать отдельно. Корабль был разобран на металл и передан на завод "Запорожсталь".