与此同时，希特勒在挪威海域集结了德国海军大型水面舰艇“提尔比兹”号、“海军上将舍尔”号、“吕措夫”号、“沙恩霍斯特”号、“格奈泽瑙”号战列舰和“希佩尔海军上将”号、“欧根亲王”号重巡洋舰，以及17艘潜艇和一些空军力量，在北极海域展开了打击盟国向苏联运送物资货船的破交战。从3月开始，同盟国护航运输队遭到来自空中、水面、水下的攻击，损失与日俱增。3月28~29日，德国潜艇群、飞机和3艘驱逐舰袭击了“PQ—13”号护航运输队，击沉、击伤10艘船只，并击伤了护航的“特立尼达”号轻巡洋舰，德国仅损失了1艘驱逐舰。从3月~6月，德国海军共击沉同盟国“PQ—12”号至“PQ—16”号护航运输队84艘船只中的23艘以及数艘军舰。
德国海军在北极海域的破交战，牵制了英美海军力量。美国海军遂派遣航空母舰“黄蜂”号、新型战列舰“华盛顿”号和“北卡罗来纳”号，以及2艘轻巡洋舰和1个驱逐舰中队参加护航。6月27日，同盟国“PQ—17”号护航运输队从冰岛启航，驶向苏联北部港口。这个运输队包括运输船33艘、油船1艘、救生船3艘，除直接护航的舰艇外，在航行中还由英国海军少将哈密顿率领一支巡洋舰分队（包括4艘巡洋舰、2艘防空巡洋舰、9艘驱逐舰、17艘小型护卫艇）提供护航。在北海还部署了英国航母“胜利”号、战列舰“约克郡主”号和“华盛顿”号，以及3艘巡洋舰和8艘驱逐舰。当大型水面军舰通过挪威沿岸时，在可能经过的航线上还展开了9艘英国潜艇和4艘苏联潜艇。德国为了袭击“PQ—17”号护航运输队，派出一支由战列舰“提尔比兹”号、重巡洋舰“希佩尔海军上将”号和“吕措夫”号，以及数艘巡洋舰、舰队驱逐舰组成的编队。6月底，该编队向北角附近的阿尔腾峡湾转移。同时，德军在同盟国运输队可能经过的航线上展开了大量潜艇，在挪威北部的各机场部署了大量飞机待命。
7月2日，德军飞机开始不断袭击“PQ—17”号护航运输队。德军水面舰艇编队则从特隆赫姆基地出动实施袭击。英国海军上将达德利·庞德命令哈密顿的护航巡洋舰分队高速向西撤离，企图诱开德军水面舰艇编队，而运输船则在巴伦支海散开，各自驶往摩尔曼斯克。失去保护的运输船，遭到机动、灵活的德军潜艇和飞机的轮番攻击。而同盟国重点警惕的德国水面舰艇编队，在7月5日18时许，接近护航队主航线时，遭到苏联海军“K—21I”号潜艇的拦截。苏潜艇鱼雷击伤了“提尔比兹”号，迫其返回阿尔腾峡湾，从而扼制住了德国水面舰艇编队的威胁。同盟国指挥官采取分散航行的方式，在战役指挥上是一个严重的错误，没有发挥护航和支援掩护舰队的作用，反而使德国潜艇、飞机充分发挥了机动优势，致使23艘船只被击沉，损失飞机、坦克等军事物资9.9万余吨。同盟国被迫暂时中止北极海域交通线上的运输。
1942年9月，同盟国有了足够的护航力量为运输队提供掩护时，才恢复通往苏联的北方航线。9月7日，“PQ—18”号从冰岛驶出。同盟国吸取“PQ—17”号的教训，在冰岛加强了护航兵力。运输队共有33艘运输船，护航兵力计有护航航空母舰1艘（搭载飞机15架）、防空巡洋舰1艘、驱逐舰16艘、潜艇2艘和数艘小型舰艇。这是一支武器装备较强的护航运输队。但是，途中仍然遭到德国潜艇和“容克—88”、“亨克尔—Ⅲ”式飞机的袭击。9月13日至20日，护航运输队遭到德军鱼雷机、轰炸机数百架次的空袭，在斯瓦尔巴特群岛附近又遭到德军潜艇的攻击，损失13艘运输船和1艘救生船。由于英国护航兵力强大，德国海军损失潜艇3艘、飞机约40架。德军由于飞机损失惨重，从此不再在苏联北方投入这样大的空军力量了。10月至12月初，同盟国抽调了大量驱逐舰参加“火炬”战役，英国海军部和美国海军部决定派遣有警戒能力的单艘船只，利用冬夜长的特点驶向苏联北部，在被派遣的37艘船只中有9艘被击沉。12月中旬，英、美再次派遣小型护航运输队，采取从冰岛和苏联北部港口交替出发的办法实施护航。护航运输队改代号为“JW—51A”号（16艘运输船、8艘驱逐舰护航），由洛赫伊伍出航，安全抵达苏联北方港口。12月31日，“JW—51B”号（14艘运输船，由15艘英国海军驱逐舰和轻护卫舰、2艘轻巡洋舰护航）驶至熊岛东南约100海里处，遭到德国特混舰队（包括重巡洋舰“希佩尔海军上将”号和战列巡洋舰“吕措夫”号及3艘舰队驱逐舰）的远距离攻击。英国2艘驱逐舰被击沉。德国1艘驱逐舰沉没，“希佩尔海军上将”号也被英国海军巡洋舰击伤。“JW—51B”号运输船队，除1艘巴拿马货船在科拉湾入口搁浅外，都安全到达指定港口。希特勒对1942年除夕的这场战斗非常恼怒。他责令海军撤回大型军舰，并解除雷德尔元帅的海军总司令一职。
1941年8月至1942年年底，同盟国21支北行护航运输队（共有运输船301艘）被击沉53艘，16支南行护航运输队（共有运输船232艘）被击沉16艘，其中一半是美国的船只。此外，英国海军还损失2艘轻巡洋舰、4艘驱逐舰、4艘扫雷舰和1艘潜艇。
1943年的头几个月，几支拥有强大警戒兵力的护航运输队到达苏联北部，只受到轻微的损失。1943年3月至年底，由于大西洋作战的需要，同盟国的护航舰主力都转移到大西洋战场，北极诸海区的航运被迫停止。不过，同盟国在4月份德军从突尼斯撤退以前，已经控制了地中海航线。因此，由美国出发的护航运输队可以沿直布罗陀—苏伊士—波斯湾航线向苏联运送物资。至1943年底，摩尔曼斯克航线恢复航行，护航运输队基本上可以安全航行了。
为了进一步打击同盟国，德国更加重视潜艇战。1943年1月，德国海军更换领导人，由潜艇舰队司令邓尼茨接任海军总司令；同时调整了海军战略，决定造船工业集中建造潜艇，并停止征召潜艇制造业的工人入伍，还将水面舰队的官兵和造船工人近万人转入潜艇后备队。1943年初，德国海军拥有403艘潜艇，其中大中型潜艇占63％，做好战斗准备的约212艘，在北大西洋活动的约40至50艘，在中大西洋活动的有30艘，在美洲沿岸活动的有10艘。7艘大型水面舰艇、14艘舰队驱逐舰、60艘小型舰艇和21艘潜艇被部署在挪威北部海域。意大利少数潜艇也投入大西洋战场。邓尼茨预言，德国在大西洋战场不久即将胜利。
1943年3月，美国、英国和加拿大在华盛顿召开大西洋护航会议，决定：同德国潜艇作斗争是同盟国当前海上斗争中最中心的任务；在潜艇威胁最严重的北大西洋中部集中反潜兵力和武器，并调整同盟国护航体系，采用新的护航时刻表，组建统一指挥的反潜支援队；尤其要加强空中力量，广泛使用护航航空母舰和新式雷达，将护航运输队的反潜作战由单纯的被动防御转为主动的立体搜索和进攻。会上还采纳了英国海军的建议，对各国承担的护航责任进行了重新调整，接受美国海军作战部长金海军上将的方案，由英国和加拿大负责北大西洋的护航，美国承担大西洋中部（哈利法克斯南部港口以南至地中海）的护航和整个护航体系的连结部。护航体系的调整，使同盟国之间的护航行动得到协调，护航兵力的分配更加合理。美英海军用于保护大西洋交通线的兵力有：护航航空母舰22艘、舰队驱逐舰和护航驱逐舰508艘、护卫舰艇222艘、巡逻舰艇380艘、猎潜舰776艘以及扫雷舰等其他舰船近1000艘；英国潜艇70艘，美国若干艘；岸基飞机约1620架，舰载飞机260架。
由于同盟国加强了在大西洋战场的作战兵力，将护航体制从消极防御改为攻势防御，因此，1943年3月下旬，同盟国在北大西洋战场的形势开始出现转机。英国海军西航道总司令马克斯·霍顿海军上将统一指挥以驱逐舰和护卫舰（有时派遣护航航空母舰参加）组成的6支反潜支援舰队，以纽芬兰和冰岛为基地，对德国潜艇展开了更强大、更集中的反击。5月，为了进一步对大西洋海域的反潜兵力实施集中指挥，美国建立了海军第10舰队，统一指挥海疆区兵力、护航兵力和反潜航空兵，并负责制定护航运输队的航线和组织护航运输队的运行。1943年初，美英护航运输队选择了3条新航线：库拉索岛—阿鲁巴岛—英国，库拉索岛—阿鲁巴岛—直布罗陀，纽约—卡萨布兰卡。
德国海军为了查明同盟国防潜的薄弱海区，把潜艇展开在宽大的正面上，主力集结在北大西洋交通线上，在中、南大西洋和北极海区则派遣一些小艇群（每群3～4艘），准备集中兵力在盟军防护较为薄弱的方向取得最大的战果。
英国的驱潜快艇用新型深水炸弹攻击德潜艇2月4日至8日，由6艘德国潜艇组成的侦察幕和20艘潜艇组成的突击幕攻击由纽约驶往英国的“SC—118”号护航运输队。该护航运输队由64艘运输船和12艘护航舰艇组成。护航舰艇进行了顽强的反潜作战，但是，德国潜艇经连续追击，还是用鱼雷击沉了7艘护航运输船只。2月8日拂晓，护航运输队进入掩护力量强大的岸防水域后，德军才被迫停止追击。
德国潜艇在反护航战役中，仍然采用艇群活动方法，编成侦察幕、突击幕，有时甚至编成三道幕，对护航运输队进行跟踪和袭击。从2月中、下旬至3月5日，德国海军聚集了50艘以上的潜艇，在北大西洋一些延长的巡逻线上作战。德国海军潜艇使用“梅托克思”接收装置，能及时发现同盟国护航舰队的雷达搜索，从而免遭袭击，并依靠无线电监听探测同盟国运输队的航线。尽管受到大西洋风暴的影响，德军在3周时间内，仍成功地攻击了几乎所有同盟国“HX”号快速护航运输队和“SC”号慢速护航运输队。
3月上、中旬，同盟国共损失运输船85艘（67艘在护航运输队航行中被击沉，21艘在北大西洋航线上被击沉）。这表明，在德国海军潜艇日益增多的情况下，试图通过改变航线来躲避德国海军潜艇的攻击已无济于事。这引起英国海军部对护航体系的担心；护航体系在开始的3年半时间内一直是同盟国在大西洋的战略支柱，而此时“预示英国在海上斗争中要失败”。英国海军部事后记载道：“德军从来没有像1943年3月前20天那样近乎切断新旧世界之间的交通。”英国海军部甚至有人对能否继续把护航队当作有效的防御系统表示怀疑。
在这次潜艇战高潮之后，同盟国下决心调整护航兵力，经常用航空母舰加强护航运输队的警戒，或用岸基飞机担任护航。3月下旬，英国马克斯·霍顿海军上将组织的支援舰队投入反潜作战后，发挥了巨大作用。同盟国6个支援舰队与护航舰群密切协同作战，当护航舰艇进入空中掩护缺口时，支援舰队便去进行支援，对大西洋中部德国海军潜艇予以更有力、更集中的反击。支援舰队中单独行动的驱逐舰和护卫舰可以对德潜艇穷追不舍。在3月最后的10天里，这些支援舰队显示了作用。3月21日，“S—123”号和“HX—23”号运输队在费尔韦尔角东南的“空中缺口”，碰上了德国强大的“安康”潜艇群。26日傍晚，“SC—123”号运输队的几艘运输船驶入该艇群中间，被德国“U—564”号潜艇和“U—663”号潜艇发现。由于“U一663”号潜艇很快被第3支援舰队的高频测向仪发现，未及报告运输队的航向和航速，就被支援舰队逼入水中。当迹象表明“SC—123”号运输队周围再没有任何潜艇时，该支援舰队又全速回返去接应随后而来的“HX一230”号运输队。邓尼茨命令南边的“鲍鱼”潜艇群（28艘潜艇）全速北上去攻击“HX—230”号运输队，结果又被支援舰队的高频测向仪发现，受到驱逐舰驱赶而撤退。
由于盟军航空兵给德国潜艇造成的损失增加，德国海军采取了一系列措施以加强潜艇的自卫能力。例如，在潜艇上装备了四联装高射机枪，改进了37毫米高射炮，装备了干扰雷达工作的装置，并在某些潜艇的船体和指挥室上覆盖一层专用物质，以便部分地吸收电磁波。此外，还改进了技术观察仪器，装备了无声自导鱼雷。与此同时，德国海军对反护航战役战术也进行了调整，采用了一系列新的进攻战术和规避方法。然而，这些新方法未能扭转德国潜艇战的被动局面。同盟国保护交通线的兵力和装备，在数量上，尤其在质量上远远超过了德国的进攻兵力。美英的飞机和水面舰艇装备了新的完善的厘米波和分米波雷达，航程和续航力增加，声纳器材也有了进一步发展，护航运输队航行队形的配系和整个护航勤务都得到了改进。同盟国横渡大西洋的护航运输队几乎在整个航行途中都有航空兵和护航舰艇群掩护，尤其是加强了直接护航舰艇和飞机的突击力量，使没有空中掩护、缺乏其他兵力协同的德国潜艇无论昼间或夜间都难以从水面接近，不得不从水下接近护航运输队。由于水下航速较低，极大地影响了德国潜艇的作战效果。
3月下旬，同盟国在大西洋被击沉的船只由3月份的92艘、53万余吨，降至4月份的45艘、25万余吨。5月以后，损失显著减少，而德国潜艇却损失惨重。据统计，1943年1至3月，德国每击沉同盟国商船10万吨，要损失3.8艘潜艇；4至6月，则增加到10.5艘。4月上旬，由于德国只有1艘潜水油船能保障潜艇供油，加上一批潜艇要进行检修，因此在大西洋作战的潜艇数量有所减少。