Условия жизни экипажа не соответствовали ни климатическим особенностям Черноморского региона, ни организации службы советского флота, поскольку при стоянке в базе итальянские экипажи жили в береговых казармах, а в плавании их рацион состоял из макарон, сухого вина и оливкового масла. Первое время (до оборудования нормального камбуза) питание моряков обеспечивалось несколькими армейскими походными кухнями, почти круглосуточно дымившими на палубе.
В холодное время, в особенности при минусовых температурах наружного воздуха, в кубриках под палубой полубака, не имевшей изоляции, личный состав находился под сплошным «дождем» от обильной конденсации влаги. Для отдыха служили двух— и трехъярусные койки, размещенные буквально впритык друг к другу в проходных кубриках.
В середине мая 1949 года линкор поставили в Северный док Севморзавода (Севастополь). При этом специалисты были поражены как изяществом обводов подводной части, так и характером ее обрастания. Интенсивно оброс ракушкой лишь район переменной ватерлинии, а остальная часть, покрытая пастой неустановленного состава, почти не обросла. Но в неудовлетворительном состоянии оказалась донно-забортная арматура. Более того, как писал последний командир «БЧ-5» линкора И. И. Резников, при очередном ремонте обнаружилось, что почти полностью заросли ракушкой трубопроводы пожарной системы, пропускная способность которых уменьшилась в несколько раз.
Уже в июле 1949 года «Новороссийск» принял участие в маневрах эскадры в качестве флагмана. Естественно, что вооружение и системы управления огнем не соответствовали требованиям времени, механизмы в результате интенсивной службы и плохого ухода оказались в запущенном состоянии, да и системы жизнеобеспечения корабля нужно было приспособить под новые стандарты.
Из воспоминаний командира трюмной группы Ю. Г. Лепехова: «В таких условиях командованием флота была поставлена задача в трехмесячный срок привести корабль в порядок, создать и отработать на совершенно незнакомом иностранном корабле (линкоре!) боевую и повседневную организацию, сдать курсовые задачи К-1 и К-2 и выйти в море. О возможности выполнения предписанного в установленный срок могут судить только те, кому довелось служить на больших кораблях в период их постройки и сдачи. Вместе с тем политическая обстановка требовала продемонстрировать способность советских моряков быстро освоить полученные итальянские корабли. В итоге после очередной штабной проверки командующий эскадрой контр-адмирал В. А. Пархоменко, убедившись в невыполнимости поставленной задачи, устроил офицерскому составу линкора грандиозный разнос, объявил кораблю «оргпериод» и вслед за тем через пару недель, так и не приняв у корабля фактически ни одной курсовой задачи, в первых числах августа буквально «вытолкнул» линкор в море. В составе эскадры мы подошли к турецким берегам, дождались появления самолета НАТО, убедившегося, что «Новороссийск» плавает, и вернулись в Севастополь. Так и началась служба в составе Черноморского флота корабля, непригодного, по сути дела, к нормальной эксплуатации». С 1950 по 1955 год линкор семь раз находился в заводском ремонте. Работы по модернизации вызвали небольшое увеличение массы корабля (примерно на 130 тонн) и ухудшение остойчивости (поперечная метацентрическая высота уменьшилась на 0,03 метра).
В мае 1955 года «Новороссийск» вошел в строй Черноморского флота и до конца октября несколько раз выходил в море, отрабатывая задачи по боевой подготовке. На тот момент, несмотря на преклонный возраст, это был самый сильный боевой корабль в СССР.
Вечером 28 октября 1955 года линкор вернулся из похода для участия в празднованиях по случаю 100-летия обороны Севастополя и занял место на бочке № 3 в районе Морского госпиталя (глубина 17 метров воды и около 30 метров вязкого ила). Швартовка прошла нештатно — старпом, капитан 2-го ранга Г. А. Хуршудов, замещавший находившегося в отпуске командира корабля, проскочил нужное место на полкорпуса. После швартовки часть экипажа убыла на берег. Старшим офицером остался помощник командира корабля З. Г. Сербулов.
29 октября в 1 час 31 минуту под корпусом корабля с правого борта в носу раздался взрыв, эквивалентный 1000–1200 килограммам тротила, насквозь пробивший корпус линкора, вырвавший часть палубы полубака и пробивший в подводной части дыру в 150 квадратных метра. Поскольку в месте взрыва находились носовые кубрики, сразу погибло от 150 до 175 человек. Взрыв произошел возле Госпитальной стенки Севастопольской бухты. Кроме того, через 30 секунд раздался второй взрыв по левому борту, в результате которого образовалась вмятина в 190 квадратных метра.
Линкор пытались отбуксировать на мелководье, но прибывший на корабль вице-адмирал В. А. Пархоменко приостановил буксировку. Запоздалое приказание о возобновлении буксировки оказалось бессмысленным: носовая часть уже села на грунт. Не сразу адмирал позволил и эвакуировать незанятых в спасательных работах моряков, которых на юте скопилось до 1000 человек. Когда решение об эвакуации было принято, крен корабля начал стремительно нарастать. В 4 часа 14 минут линкор лег на левый борт и через мгновение уткнулся мачтами в грунт. В 22 часа корпус полностью исчез под водой.
В катастрофе погибли 614 человек, включая аварийные партии с других кораблей эскадры. Многие были заперты в отсеках опрокинувшегося корабля — из них удалось спасти лишь девятерых (семерых через прорезанное в кормовой части днища отверстие и двоих из-под палубы юта, неплотно прилегавшей к грунту). Водолазы перестали слышать стук запертых в корпусе линкора моряков только 1 ноября.
Летом 1956 года экспедиция подводных работ особого назначения ЭОН-35 приступила к подъему линкора методом продувания. При продувке одновременно использовались двадцать четыре компрессора общей производительностью 120–150 кубических метров свободного воздуха в минуту. Подготовительные работы завершились в апреле 1957 года, и с 30 апреля начали предварительную продувку. Генеральную продувку начали 4 мая, и в тот же день линкор всплыл кверху килем — сначала носовая оконечность, а потом корма. Днище поднялось над водой примерно на 4 метра. При подъеме корабля на дне осталась третья башня главного калибра, которую пришлось поднимать отдельно.
По другим данным, 28 мая корабль отбуксировали в Казачью бухту (куда был пробит соответствующий фарватер) и перевернули. В дальнейшем корабль был разобран на металл и передан на завод «Запорожсталь». Стволы 320-миллиметровых орудий до 1971 года лежали напротив Морского училища.
