Моряки-черноморцы отстояли Севастополь до подхода частей Приморской армии, которые начали прибывать 9 ноября. 7 ноября Ставка издала директиву, в которой подчеркивалось, что главной задачей Черноморского флота является активная оборона Севастополя. Ставка приказывала: «Севастополь не сдавать ни в коем случае и оборонять его всеми силами». В целях объединения всех сухопутных и морских сил был создан Севастопольский оборонительный район (СОР). Его начальником назначили командующего Черноморским флотом вице-адмирала Ф. С. Октябрьского. Командование оборонительного района и Комитет обороны города приняли все меры, чтобы не допустить захвата Севастополя врагом. Укреплялась и совершенствовалась сухопутная и противовоздушная оборона. Жители вместе с воинами строили новые доты, дзоты и противотанковые рвы. Их обстреливали артиллерией и бомбили с воздуха.
Сопротивление защитников Севастополя день ото дня крепло. К 10 ноября гарнизон Севастопольского оборонительного района насчитывал уже 52 тыс. человек. На его вооружении было 170 орудий и около 100 самолетов. Однако силы противника во много раз превосходили силы защитников города. Враг подтянул к Севастополю еще четыре пехотные дивизии, около 15 дивизионов полевой артиллерии и 150 танков. На аэродромах вблизи города насчитывалось почти 300 фашистских самолетов.
Сосредоточив большие силы на узких участках фронта, фашисты утром 11 ноября возобновили штурм оборонительных рубежей Севастополя. В этих боях врагу удалось потеснить советские войска на правом фланге оборонительного района и занять Балаклавские высоты. На центральном участке фашисты продвинулись только на 1–1,5 км.
17 декабря 1941 г. гитлеровцы начали второе наступление на Севастополь. Они бросили в бой семь пехотных дивизий и две горнострелковые бригады, около 150 танков и 300 самолетов. Для разрушения дотов фашисты подтянули в район города несколько батарей тяжелой артиллерии, включая орудия 360-миллиметрового калибра и более. Военный Совет Черноморского флота обратился к защитникам Севастополя с призывом бить врага так, как бьют его под Москвой. Бойцы, командиры и политработники ответили на этот призыв новыми массовыми подвигами. Героически отстаивали Севастополь бойцы Приморской армии 79-й бригады морских пехотинцев, моряки и летчики Черноморского флота, ополченцы.
Большую роль в срыве второго наступления немецко-фашистских войск на Севастополь сыграла Керченско-Феодосийская десантная операция, начавшаяся 26 декабря 1941 г. В ней принимали участие войска Северо-Кавказского фронта, корабли Черноморского флота и Азовская военная флотилия. Несмотря на сильный шторм, один из десантов высадился у мыса Хрони, а второй — в районе Камыш-Буруна (ныне Аршинцево). Десантники закрепились, расширили плацдарм и обеспечили высадку основных сил 51-й армии. Части 44-й армии успешно провели десантную операцию в Феодосии.
30 декабря они освободили город и развернули наступление на север, создав для немецко-фашистских войск на Керченском полуострове опасность окружения. Это заставило врага поспешно отступать с полуострова. Соединения 51-й армии 30 декабря освободили Керчь. К концу дня 2 января 1942 г. войска 44-й и 51-й армий продвинулись на запад на 100–110 км и полностью освободили от фашистов Керченский полуостров.
Успешное начало операции не повлекло за собой широкого наступления Красной Армии в Крыму. Гитлеровское командование приостановило свое исступление на Севастополь, перебросило оттуда значительные силы в район Керченского полуострова и сильными контрударами остановило советские части. В январе 1942 г. войска Крымского фронта вели тяжелые бои с противником. Наращивая силы, враг вынудил 44-ю армию отступить и захватил Феодосию. Дальнейшее его продвижение было остановлено на Ак-Монайских позициях. В феврале — апреле 1942 г. войска Крымского фронта трижды переходили в наступление, но успеха не добились. 13 апреля командование фронта получило приказ Ставки приостановить наступление и закрепиться на занятых рубежах.