С 3—4 ноября начали прибывать отдельные части Приморской армии, которые сразу вступали в бой. 9 ноября подошли основные силы Приморской армии, которая, хотя и была малочисленной (18—20 тыс. человек, в том числе пехоты 4—5 тыс. человек, 107 орудий), но имела опытный командный состав. 9 ноября дивизии Приморской армии были усилены за счёт влитых в них батальонов морской пехоты, кроме того, армии были оперативно подчинены части и соединения морской пехоты. Всё это значительно повысило боеспособность Приморской армии. 7 ноября СВГК приказала: «Севастополь не сдавать ни в коем случае. Главной задачей Черноморского флота считать активную оборону Севастополя и Керченского полуострова всеми силами» и создала Севастопольский оборонительный район (СОР) (первоначально образован приказом командующего войсками Крыма адмирала Г. И. Левченко 4 ноября) в составе Приморской армии, севастопольского гарнизона, частей береговой обороны, специально выделенных кораблей и авиачастей Черноморского флота. Командующим СОР был назначен командующий флотом вице-адмирал Ф. С. Октябрьский, его заместителем по сухопутной обороне — командующий Приморской армией генерал-майор И. Е. Петров, заместитель по береговой обороне и начальник гарнизона — генерал-майор П. А. Моргунов, по ВВС — генерал-майор авиации Н. А. Остряков (с апреля 1942 генерал-майор авиации В. В. Ермаченков); членом Военного совета флота был дивизионный комиссар Н. М. Кулаков. СОР был разделён на 4 сектора, которые возглавили командиры дивизий Приморской армии. Общая численность войск СОР составила 55 тыс. человек, в том числе 29 тыс. человек боевого состава на сухопутном фронте. 11 ноября противник, сосредоточив 4 пехотных дивизии и другие части (всего до 60 тыс. чел. боевого состава), возобновил наступление на Севастополь, нанося теперь главный удар с Ю.-В. вдоль Ялтинского шоссе. В упорных оборонительных боях сов. войска отразили все атаки противника и удержали свои позиции. Понеся большие потери, 21 ноября враг прекратил наступление и перешёл к обороне. В связи с эвакуацией войск 51-й армии с Керченского полуострова 19 ноября СОР был подчинён СВГК. В конце ноября — 1-й половине декабря в СОР были подвезены морем 388-я стрелковая дивизия и маршевое пополнение; совершенствовалась оборона, в городе было развёрнуто производство обмундирования, боеприпасов, миномётов и др. 17 декабря после мощной артиллерийской и авиационной подготовки немецко-румынские войска (6 немецких пехотных дивизий, 2 румынские горнострелковые бригады, 1275 орудий и миномётов, свыше 150 танков и 300 самолётов) перешли во второе наступление на Севастополь. Главный удар наносился на стыке 3-го и 4-го секторов из района Дуванкой вдоль Бельбекской долины и на Камышлы с целью прорыва к станции Мекензиевы Горы и Инкерману и выхода к Северной бухте; вспомогательные удары — от Нижнего Чоргуня на Инкерман, а также по Ялтинскому шоссе на Балаклаву. В составе СОР было 5 стрелковых дивизий (из них 4 укомплектованных на 50%), 1 малочисленная кавалерийская дивизия, 2 бригады и 3 полка морской пехоты, 410 орудий, 120 миномётов, 26 танков, 90 самолётов. Противник имел почти двойное численное превосходство, но советские войска упорно оборонялись. В районе Мекензиевы Горы врагу удалось вклиниться в оборону. 20 декабря в полосе 4-го сектора сложилась кризисная ситуация в связи с угрозой прорыва противника к Сев. бухте. СВГК выделила силы для усиления Приморской армии: 21 декабря в Севастополь на двух крейсерах и трех эсминцах была переброшена 79-я отдельная морская стрелковая бригада, которая 22 декабря контратаковала в районе Мекензиевы Горы и остановила продвижение противника. 23—24 декабря на транспортных и боевых кораблях прибыла 345-я стрелковая дивизия и танковый батальон, с 28 декабря — 386-я стрелковая дивизия. Эти подкрепления и мощная поддержка огнем с береговых батарей и кораблей (включая линкор) позволили отбросить противника и ликвидировать угрозу его прорыва. Большую роль в отражении вражеского наступления сыграла Керченско-Феодосийская десантная операция 1941—42, начавшаяся 26 декабря и вынудившая немецко-фашистское командование снять часть сил из-под Севастополя и 31 декабря прекратить наступление, 1—4 января советские войска контратаками заставили врага почти всюду отойти на исходные позиции.
После провала декабрьского наступления врага наступило относительное затишье, продолжавшееся до мая 1942. Обе стороны готовились к решительной борьбе за Крым. Приморская армия получила пополнение личного состава и боезапаса и значительно усилила оборону в инженерном отношении. В январе — марте советские войска вели на различных участках боевые действия с целью улучшения позиций, высаживали тактические десанты в районах Евпатории, Ялты и Судака. Боеспособность СОР в огромной степени зависела от бесперебойного и достаточного снабжения всеми видами материального довольствия, пополнения личного состава, а также эвакуации раненых. Поэтому обеспечение морских коммуникаций являлось одной из главных задач флота. Морские перевозки осуществлялись в условиях господства противника в воздухе, а с весны 1942 также при противодействии его торпедных катеров и подводных лодок.
В мае 1942 в результате оставления советскими войсками Керченского полуострова и неудачи Харьковской наступательной операции положение Севастополя резко ухудшилось, 21 мая противник начал воздушную и артиллерийскую бомбардировку города, артиллерийских позиций и тылов, а 2 июня перешёл к мощной артиллерийской и авиационной подготовке наступления, длившейся 5 дней. Одновременно враг усилил блокаду Севастополя с моря. Противник сосредоточил 10 пехотных дивизий (в т. ч. 3 румынские), 1 моторизованную бригаду и 3 полка (всего свыше 200 тыс. человек, в том числе боевого состава 175 тыс. человек, 450 танков, 1325 орудий, 720 миномётов, 1060 самолётов). СОР имел 7 стрелковых дивизий (укомплектованных, кроме одной, на 50%), 4 бригады и 3 полка морской пехоты (всего 106 тыс. человек, в том числе боевого состава 82 тыс. человек, 38 танков, 606 орудий, 918 миномётов, 116 самолётов), 7 июня противник перешёл в наступление, нанося главный удар с С. и С.-В. на Мекензиевы Горы с целью выхода к Северной бухте и вспомогательные — на Сапунгору и Балаклаву. Вражеская авиация ежедневно совершала 800—1000 самолёто-вылетов, сбрасывая 4000—4500 бомб. Защитники Севастополя героически обороняли позиции до последней возможности. Только когда на оборонительных позициях не оставалось боеспособных защитников и боеприпасов, врагу удавалось их занять. Некоторую помощь оказала 138-я стрелковая бригада, переброшенная 13 июня на эсминцах. 18 июня ценой больших потерь противнику удалось прорваться к побережью Сев. бухты. Оставшиеся на Сев. стороне небольшие гарнизоны 30-й батареи береговой обороны, Сев. укрепления, инженерные пристани, Михайловского и Константиновского равелинов героически оборонялись до 22—24 июня. Силы защитников таяли, кончались боеприпасы. В связи с сокращением тёмного времени суток и господством вражеской авиации снабжение Севастополя на надводных кораблях стало крайне трудным, а после захвата противником Сев. стороны и невозможным, 17 июня в Севастополь пришёл последний транспорт «Белосток», 26 июня сквозь блокаду прорвался последний из крупных надводных кораблей — лидер «Ташкент». Подвоз снабжения на подводных лодках и самолётах не удовлетворял потребности обороны. Потери защитников росли; к концу июня в дивизиях осталось по 300—400 человек, в бригадах — по 200 человек боевого состава. Прибытие 27 июня малочисленной 142-й стрелковой бригады не могло уже спасти положения. В ночь на 29 июня противник форсировал Северную бухту и в тот же день овладел Сапунгорой, 30 июня немецко-фашистские войска ворвались на Корабельную сторону, где весь день шли упорные бои за Малахов курган. Остатки частей отдельными группами отходили к полуострову Херсонес. В ночь на 1 июля было получено разрешение СВГК на эвакуацию. Старшим начальником в Севастополе Военный Совет оставил генерал-майора П. Г. Новикова. Защитники Севастополя продолжали героически сражаться на полуострове Херсонес в районе 35-й батареи береговой обороны до 4 июля. Некоторой части воинов удалось эвакуироваться на подводных лодках, самолётах, катерах, быстроходных тральщиках, шлюпках и лодках или прорваться в горы к партизанам,
