Зенитные части ПВО Севастополя имели вначале 160 орудий среднего калибра (40 батарей), 34 пушки малого калибра (7 батарей), пулеметный и прожекторный батальоны, дивизион аэростатов и несколько радиолокационных установок РУС-2. 12 ноября 80 орудий среднего калибра из севастопольской зоны были отправлены на Кавказ.

Попытка Манштейна взять с ходу Севастополь провалилась, так как еще до подхода немецких войск вокруг города-порта началось строительство рубежа обороны, не прекращавшееся и в ходе дальнейших вражеских атак. 4 ноября был образован Севастопольский оборонительный район (СОР), в состав которого вошли соединения Приморской армии и около 20 тыс. моряков, сведенных в батальоны и отряды.

Не сумев достигнуть успеха с помощью сухопутных сил, немецкое командование по обыкновению отдало приказ о тотальной бомбардировке города. Массированные налеты на Севастополь начались с 12 ноября. В этот день бомбардировщики люфтваффе группами по 10–12 самолетов бомбили различные городские объекты. Естественно, главный удар пришелся по военно-морской базе, которую атаковали 23 Ju 88. Большинство бомб они сбросили на стоявший у пристани крейсер «Червона Украина». После шести попаданий корабль стал набирать воду и накренился на левый борт. Борьба за его живучесть продолжалась около 16 часов, но несмотря на все усилия, он в конце концов затонул. Позднее с этого крейсера сняли орудия и использовали в составе береговых батарей. В ремонтных доках новые тяжелые повреждения получили эсминцы «Беспощадный» и «Совершенный». В городе были полностью разрушены 37 зданий и 29 повреждено.

При отражении налета были сбиты два немецких бомбардировщика. Один записали на свой счет зенитчики, а второй пришелся на долю Якова Иванова, ведомого Николая Саввы. По примеру ведущего, он таранил вражеский самолет, расстреляв все боеприпасы. Причем удар был нанесен настолько удачно, что летчик благополучно вернулся на аэродром. На истребителе МиГ-3 оказались лишь погнуты лопасти винта, которые заменили в течение пары часов. 16 ноября, во время очередного налета «юнкерсов» на севастопольскую базу, Я.И. Иванов снова таранил бомбардировщик противника, но на этот раз удача ему изменила. Оба столкнувшихся самолета разрушились в воздухе, и советский летчик погиб. Всего в течение месяца в налетах на Севастополь приняли участие 380 немецких бомбардировщиков.

В этот период времени севастопольская авиагруппа, кроме штурмовки вражеских войск, начала также систематические налеты на вражеские аэродромы. 6 ноября штурмовики Ил-2 из 18-го ШАП под прикрытием «яков» и «лаггов» (всего 24 самолета) атаковали аэродром Сарабуз. Два штурмовика отвлекли внимание противника, а основная группа нанесла точный удар, в результате которого были замечены на земле пять крупных пожаров. В воздушном бою один Bf 109 сбил летчик Шемякин. 11 ноября был совершен налет на немецкий аэродром Завадское под Симферополем, где, по сведениям разведки, скопилось до 45 вражеских самолетов. В качестве ударной группы выделили 6 Ил-2 и 9 И-16 с бомбами, а общее прикрытие обеспечивали 8 истребителей Як-1. Самолеты взлетели на рассвете и весь маршрут шли на высоте 200–300 м, чтобы как можно дольше избегать обнаружения противником. Цель атаковали с ходу, после чего И-16 присоединились к «якам» сопровождения, а «илы» выполнили второй заход. По советским данным, на земле было уничтожено 6 истребителей и 3 бомбардировщика. Еще один бомбардировщик сбил на взлете лейтенант Н.Н. Евграфов. Советская сторона потерь в этом налете не понесла.

Штурмовые действия черноморской авиации сосредоточились с 11 ноября на районе Варнутки, Кадырово, где немцы перешли в наступление силами трех дивизий. Бомбили немцев как днем, так и ночью. Для ночных налетов применялись летающие лодки МБР-2, а также У-2 из 95-й ночной эскадрильи, способные нести специальные контейнеры с мелкими осколочными бомбами. Днем летали штурмовики и истребители. Для увеличения общего количества боевых вылетов по приказу Острякова за каждым самолетом закрепили по два-три пилота. Нужно заметить, что в качестве штурмовиков стали все чаще использоваться и самолеты И-16. Все современные истребители в севастопольской авиагруппе собрали в эскадрилье Михаила Авдеева, а остальные закрепили за эскадрильей Константина Денисова.

Первый штурм Севастополя завершился 21 ноября, после чего активность люфтваффе в Крыму снизилась до минимума.

В севастопольской авиагруппе на 22 ноября насчитывалось всего 59 самолетов, в том числе 36 исправных, однако она продолжала доставлять неприятности врагу. Так, 23 ноября шестерка Ил-2 из 18-го ШАП под командованием майора А.А. Губрия в сопровождении И-16 из 8-го ИАП вновь совершила налет на аэродром Сарабуз, где сгорело, по докладам пилотов, до 15 немецких самолетов. На следующий день при повторном налете там было уничтожено на земле еще три самолета и два сбито в воздухе. Всего в течение ноября севастопольская авиагруппа уничтожила 38 самолетов противника в воздушных боях и 54 на земле при собственных потерях 24 самолетов.

Во второй половине ноября основные события развернулись на Южном фронте, где утром 17 ноября началось крупное советское наступление. Главный удар наносила 37-я армия, вспомогательный — 9-я и 18-я. Согласно плану командования советские войска должны были выйти в тыл 1-й танковой группы Клейста, чтобы затем ее окружить и уничтожить. Для поддержки операции использовалась вся авиация Южного фронта, которая насчитывала 204 исправных боевых самолета, в том числе 72 истребителя, 119 бомбардировщиков и 13 штурмовиков. Еще 70 самолетов находились в неисправном состоянии, но часть из них удалось ввести в строй уже в ходе военных действий. Для взаимодействия с 37-й армией выделили 153 самолета из состава 66-й САД, 5-й резервной авиагруппы и 22-й дивизии ДВА. Части люфтваффе в районе Ростова имели 70–80 истребителей из III/JG 52 и II/JG 77, а также около 50 бомбардировщиков.

Уже в первый день наступления 37-я армия продвинулась вперед на 15–18 км. Успешно наступала и 9-я армия, что коренным образом изменило обстановку на южном участке фронта. Из-за значительных потерь немцы вынуждены были перебрасывать войска из-под Ростова на северный участок, что привело к активности в районе Батайска 56-й отдельной армии генерала Ремезова. В итоге, чтобы не оказаться в окружении, 1-я танковая группа Клейста стала откатываться на запад. 29 ноября советские войска заняли Ростов — это была самая крупная победа Красной армии с начала войны.

В Ростовской наступательной операции советские ВВС Южного фронта в два с лишним раза превзошли люфтваффе по количеству самолето-вылетов, что внесло значительный вклад в итоги сражения. Если немецкие самолеты в период с 22 по 30 ноября выполнили примерно 850 боевых вылетов, то на долю советских ВВС пришлось около 2 тыс. А всего за 16 дней операции авиация Южного фронта совершила более 3800 самолето-вылетов и сбросила на врага 30 тыс. тонн бомб и 5,1 млн листовок. По советским данным, экипажи уничтожили 76 вражеских самолетов (61 — в воздухе и 15 — на земле), разрушили 3 водные переправы и вывели из строя 140 танков, 2500 автомобилей и 90 орудий. Собственные потери ВВС ЮФ составили 32 самолета, из которых лишь 5 были сбиты в воздушных боях.

Второй штурм Севастополя начался 17 декабря, для чего Манштейн стянул к городу 7 дивизий, румынскую бригаду и около 150 танков. Четыре дивизии 54-го армейского корпуса, наступая с севера, выполняли главную задачу, стремясь захватить Северную бухту. С юга наносили удар остальные немецкие дивизии, входившие в состав 30-го корпуса.