Утром 17 апреля после мощной артиллерийской и авиационной подготовки противник атаковал Малую Землю тремя усиленными дивизиями при непрерывной поддержке авиацией. Вопреки ожиданиям немцев, несмотря на чудовищной силы удары с воздуха, защитники плацдарма не утратили боеспособность. Каменистый грунт, маскировка и хорошо подготовленные укрытия снизили эффект от налетов и обстрелов. Бои приняли крайне ожесточенный характер. Некоторые подразделения погибли почти в полном составе, но не оставили своих позиций. За 17–18 апреля немцы незначительно продвинулись на отдельных участках, заплатив за это тяжелыми потерями. Большую помощь в отражении атак оказала артиллерия с Большой земли, сделав 400 выстрелов 17 апреля и 760 на следующий день. Советская авиация из-за сильного противодействия не смогла оказать существенной поддержки. 17 апреля противника проштурмовали 10 И-153 5-й воздушной армии и к вечеру – 6 флотских Ил-2. Еще 16 истребителей сопровождали ударные самолеты и 73 прикрывали Малую Землю. 18 апреля немцам при непрерывной поддержке авиацией (1074 вылета) удалось вклиниться на центральном участке на 1 км. Их продвижение было остановлено с помощью 305-го батальона морской пехоты (83-я бригада), потерявшего от ударов с воздуха 80 человек. Поддержка нашей авиацией была снова несопоставимой с противником – один удар шестью флотскими Ил-2 в сопровождении 12 истребителей 5-й воздушной армии и 89 вылетов на прикрытие войск. 19 апреля ситуация развивалась в том же ключе, немцы продвинулись еще южнее.
Чтобы ослабить группировку люфтваффе, наша авиация начала воздушную операцию, которая заключалась в ночных налетах на аэродромы в Крыму, на Таманском полуострове и на Украине. Помимо воздушных армий и АДД в этих налетах участвовали самолеты МБР-2 ВВС ЧФ (69 самолето-вылетов по аэродрому Анапа 16–21 апреля; по этому же аэродрому работала и 5-я воздушная армия). В Анапе за это время были уничтожены или повреждены не менее 7 самолетов и один грузовой планер. Но по-настоящему серьезного результата добилась АДД в Крыму. Под впечатлением от больших потерь (в частности, немецкие донесения упоминают о гибели 7 и повреждении 9 самолетов при налете на Саки в ночь на 19 апреля) немцы временно вывели часть бомбардировочной авиации с полуострова.
20 апреля командованию ВВС Северо-Кавказского фронта, созданному для координации действий 4-й и 5-й воздушных армий, удалось организовать два массированных налета (примерно по 100 самолетов) по войскам противника перед Малой Землей. Немецкая авиация не смогла их отразить. Первый удар пришелся по изготовившейся к атаке немецкой пехоте. Противник понес большие потери, временно утратил управление и был деморализован. Все наши источники независимо от рода войск единодушно соглашаются, что этот момент стал переломным. Даже в сухом штабном «Описании действий Десантной группы войск…» нашлись такие слова о реакции измученных трехдневным воздушным террором защитников Малой Земли: «Появление нашей авиации вызвало неописуемый восторг… Люди смеялись, кричали, бросали вверх головные уборы, обнимали друг друга, некоторые плакали от радости». Авиация флота в этот день поддержала войска 10 вылетами Ил-2. Немцы позже в этот день смогли начать атаку, но успеха не добились.
21–23 апреля противник в результате понесенных потерь не мог наступать и занимался отражением контратак. 24 апреля операция «Нептун» была прекращена. К 30 апреля наши войска вытеснили немцев с занятой ими в начале операции территории. Артиллерия Новороссийской ВМБ 17–30 апреля провела 213 стрельб для поддержки Малой Земли, израсходовав 3924 снаряда и мины. Особенно важную роль она сыграла в первые три дня, пока над полем боя не появились крупные силы фронтовой авиации. Ожесточенное сражение на Малой Земле закончилось поражением противника – предвестником цепи поражений летне-осенней кампании 1943 г.
За первым Кубанским воздушным сражением над Малой Землей с 29 апреля последовало второе сражение. Одним из способов борьбы с люфтваффе снова стали налеты на аэродромы (проводились флотской авиацией вплоть до 3 августа), а также обстрелы аэродрома Анапа с моря. В ночь на 1 мая эсминец «Железняков» и сторожевой корабль «Шторм» выпустили по аэродрому 265 102-мм снарядов. Их огонь обеспечивали три МБР-2 (два корректировщика и один осветитель). Связь с самолетами была установлена до начала стрельбы. Но из-за сильного зенитного огня и ослепления прожекторами осветитель смог сбросить САБы только на четвертой минуте, а первая корректировка была дана еще спустя пять минут, в тот момент, когда корабли уже почти отстреляли заданное количество снарядов. Видимо, именно в этот момент и был получен реальный результат (выведен из строя один истребитель). До этого огонь вели по площади, ориентируясь по центру снопа прожекторов.