Великая Отечественная война резко изменила жизнь Молотовска. 23 июня 1941 года была объявлена всеобщая мобилизация. На фронтах Великой Отечественной воевали люди разных профессий. Свыше 14 тыс. наших земляков ушли на фронт, около 4 тысяч из них полегли на полях сражений. Более 500 жителей города были направлены на строительство оборонительных сооружений Карельского фронта.

Крупные предприятия страны получили задания по выпуску продукции военного назначения. На базе Спецзавода №3 (позднее Севдормаш), была подготовлена производственная база для выпуска мин, организована доставка стали марки С-45. Вскоре был налажен выпуск чугунных крыльев и стабилизаторов.

Деятельность завода №402 (сейчас «Северное машиностроительное предприятие») в годы войны неразрывно связана с деятельностью Молотовского порта. Первый караван грузовых судов пришел в Архангельский порт 31 августа 1941 года, а причалы Молотовского порта стали принимать суда в ноябре 1941 года. Всего за войну завод №402 отремонтировал 70 иностранных судов из 173 пришедших в Молотовск и не было ни одного случая задержки выхода судна в обратный рейс по вине судоремонтников. Капитаны судов союзников не имели претензий к заводу ни по срокам, ни по качеству ремонта. На заводе №402 ремонтировались и советские суда, в том числе транспорты из караванов. Всего за военное время на счету завода №402 числится 12 отремонтированных советских транспортов и служебных судов.

Завод №402 осуществлял также обширную программу ремонта боевых кораблей советского флота, включавшую все виды ремонта – от текущего до капитально-восстановительного. 33 боевых и вспомогательных корабля советского ВМФ отремонтировал за годы войны завод №402.
По данным Министерства морского флота СССР, через Архангельский порт за годы войны прошло 2 миллиона тонн импортных и 0,7 миллиона тонн экспортных грузов. Около 1 миллиона тонн из них, преимущественно импортных грузов, пришлось на долю Молотовского порта. В 1941–1945 годах Молотовский порт стал одним из основных портов на Севере страны, обеспечивающим поставки ленд-лиза. Местные портовики обработали около 200 судов, 60 тысяч железнодорожных вагонов, приняли около 1 млн. тонн военных грузов. Сопровождение и защита транспортных судов осуществлялось кораблями военно-морского флота Великобритании и Советского Союза. Для проводки конвоев в Белом море был сосредоточен и ледокольный флот СССР. На базе завода №402 осуществлялась работа по перевооружению и ремонту ледоколов. Всего за годы Великой Отечественной войны на базе завода №402 было отремонтировано и модернизировано 139 судов и кораблей (из них 70 - иностранных).

В Молотовске располагалось 4 эвакогоспиталя (№ 2522, 4870, 4871, 1142) для их размещения были выделены лучшие здания – новые четырехэтажные школы № 1, 7, здания Управления строительства, гостиницы “Маяк”, роддома. В годы Великой Отечественной войны поставки в г.Молотовск продовольственных и промышленных товаров значительно сократились. В целях обеспечения жителей города товарами первой необходимости, особое внимание уделялось работе городских артелей. В августе 1941 г. была создана артель «Искра», в мастерских которой работали более 80 человек; также товары народного потребления производились Молотовским промкомбинатом, лесокомбинатом, артелью инвалидов.

Городскими предприятиями местной промышленности в военные годы был освоен выпуск спичек, гуталина, варка мыла, производство канцелярских скрепок, школьных линеек, мягких игрушек, циферблатов часов, бельевого трикотажа, древесной шерсти, лыжных заготовок... Особое внимание уделялось восстановлению и ремонту обуви, производилась обувь на деревянной подошве. Пищевкусовым производством был освоен выпуск кваса, хвойного напитка, карамели, макаронных изделий...

Беломорская военная флотилия, созданная в 1940г., в годы войны частично находилась на территории города Молотовска. Когда началась Великая Отечественная война, Северный флот был самым молодым флотом страны, ему не хватало боевых кораблей и морской авиации. Но Северный флот выполнил свою основную задачу – сопровождение союзных конвоев. Более 30 тыс. морских миль прошел в боевых походах эсминец «Гремящий», в экипаже которого было 30 жителей города. 1 марта 1943 г. «Гремящий» первым на Северном флоте получил высокое звание Гвардейский.

За годы Великой Отечественной войны 5 жителей Молотовска были удостоены высокого звания Героя Советского Союза: П. В. Коновалов, К. М. Трухинов, Н. Ф. Чесноков, А. Д. Юдин, А. В. Тихомиров. Именами четырех героев названы улицы города. Также МАОУ «Средняя общеобразовательная школа №21» присвоено имя Героя Советского Союза Юдина А. Д.

Жители города Северодвинска (до 1957 года - город Молотовск) внесли достойный вклад в Победу советского народа над фашистской Германией. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 15 февраля 1983г. город Северодвинск награжден орденом Ленина.