Después de la guerra, entre 1952 y 1955, el buque fue sometido a una extensa modernización.
El crucero Mólotov y su barco gemelo el Máximo Gorki tenían un blindaje más pesado y se mejoraron ligeramente con respecto a los dos primeros cruceros de la clase Kírov del Proyecto 26, por lo que fueron designados Proyecto 26bis.
[2] Su armamento secundario consistía en seis cañones antiaéreos B-34 de 100 milímetros calibre 56 montados a cada lado del embudo trasero.
[4] Además contaba con seis tubos lanzatorpedos de 533 milímetros en dos montajes triples.
[5] El crucero Molotov fue el primer buque soviético en llevar radar, un sistema de alerta aérea Redut-K, que usó durante toda la guerra.
[4] La catapulta de aviones fue eliminada en 1942 para dejar espacio a más cañones AA ligeros.
Como único buque de la Armada Soviética con radar, el Molotov permaneció en Sebastopol durante el período inicial de la Operación Barbarroja para proporcionar alerta aérea temprana.
El buque evacuó a 600 heridos al abandonar Sebastopol, el 30 de diciembre.
El barco pasó la mayor parte del mes siguiente en reparación, aunque su proa no se pudo enderezar; el daño residual redujo su velocidad en varios nudos.
[9] El daño redujo su velocidad a diez nudos y el Mólotov tuvo que ser dirigido por sus motores.
Este incidente llevó a Stalin a emitir una orden prohibiendo el uso de barcos del tamaño de un destructor o más grandes sin su permiso expreso, permiso que no fue otorgado durante el resto de la guerra.
Además, se le retiraron sus tubos de torpedos, armas antisubmarinas, grúas de barco y todo el equipo aéreo que aún conservaba.