В 1936–1937 гг. Кузнецов находился на военно-дипломатической работе в Испании, где был военно-морским атташе, главным военно-морским советником республиканского правительства и возглавлял группу советских военных моряков, направленных для противодействия фашистам в условиях гражданской войны в Испании. Здесь он принимал активное и творческое участие в разработке боевых операций Республиканского флота и отработке взаимодействий его сил с сухопутными войсками и авиацией. Из Испании капитан первого ранга Н. Г. Кузнецов возвратился с двумя высшими правительственными наградами — орденами Ленина и Красного Знамени.
В 1937–1939 гг. Кузнецов занимал должность зам. командующего, затем командующего Тихоокеанским флотом.
В марте 1939 г. Н. Г. Кузнецов был назначен заместителем наркома, а через месяц с небольшим — народным комиссаром ВМФ СССР, главнокомандующим флотом. Сам Кузнецов свое столь стремительное восхождение по служебной лестнице объяснял впоследствии результатом чисток в армии и на флоте в 1937–1938 гг., когда Вооруженные силы СССР потеряли многих командиров и комиссаров самого высокого ранга. Действительно, его предшественники на этом посту, армейский комиссар I ранга П. А. Смирнов и командарм I ранга М. П. Фриновский, были репрессированы, так что принимать дела Кузнецову было не у кого.
К тому же, не имея отношения к флоту по роду своей предыдущей деятельности, П. А. Смирнов и М. П. Фриновский не могли должным образом заниматься оперативно-стратегической подготовкой ВМФ, военно-морским искусством и т. п. Поэтому Кузнецов должен был столкнуться с большим количеством нерешенных проблем.
Атака морского немецкого конвоя русскими торпедными катерами. Балтийское море, август 1944 г. Художник А. К. Соколов
Прежде всего при создании Наркомата ВМФ в 1938 г. не было четко определено его место в структуре Вооруженных сил. Наркомат обороны и Генеральный штаб РККА занимались, по сути, только сухопутными войсками, а «флотские вопросы висели у них камнем на шее», — писал в воспоминаниях Н. Г. Кузнецов. Кроме того, каждый Наркомат «замыкался» на кого-то из членов правительства, за исключением НКО, НКИД и НКВД, и вновь созданного Наркомата ВМФ — ими Сталин руководил сам. «Это было и хорошо, и плохо, — вспоминал Кузнецов. — Хорошо потому, что многие важнейшие вопросы решались быстро и в самой высокой инстанции, а плохо из-за того, что никто иной, кроме Сталина (даже Молотов), их решать не хотел».
На подготовку к большой войне история отвела Кузнецову почти два года. Под его руководством были разработаны и обновлены боевые уставные документы, наставления и руководства, разработана система оперативных готовностей на случай войны.
Благодаря своевременным действиям Кузнецова, узнавшего накануне войны о подготовке высшим военным руководством страны тревожной директивы для приграничных округов, флот встретил 22 июня 1941 г. в состоянии боевой готовности № 1 и не понес в этот день серьезных потерь.
Летом 1941 г. Кузнецов выступил одним из инициаторов нанесения бомбовых ударов по Берлину силами морской авиации, базирующейся на Балтике. В августе — сентябре 1941 г. морские летчики совершили 52 самолетовылета и сбросили на Берлин 36 тонн фугасных бомб и 34 бомбы с листовками. Хотя материальный урон столице Третьего рейха оказался не слишком велик, политическое и морально-психологическое значение этих бомбардировок вполне очевидно.
Адмирал В.А. Касатонов, в то время — командир дивизиона подводных лодок ТФ, так вспоминал о своем командующем: «Он посещал надводные корабли и подводные лодки, авиационные и береговые части, штабы, доходил до каждого командира и матроса, вникал в отработку организации службы, быта, досуга личного состава кораблей, частей и соединений. Не раз на служебных совещаниях и в личных беседах Николай Герасимович указывал, как тщательно надо изучать и беречь оружие, технику, готовить личный состав к боевым действиям и приводить их в боевую готовность, изучать противника, знать театр боевых действий. Большую заботу проявлял он о плавающем составе, много внимания уделял подготовке командиров кораблей — единоначальников, их умению самостоятельно решать задачи в море, а также и во взаимодействии с другими. Способности нашего командующего — твердость, инициатива, решительность — ярко проявились в период вооруженного конфликта на озере Хасан летом 1938 г. Он неуклонно проводил в жизнь четкую систему оповещения, связи, оперативных готовностей флота, которая им практически воплощалась в жизнь, чтобы нас не могли застигнуть врасплох, — об этом он напоминал, требовал, учил».