На рассвете 17 декабря немецкое наступление началось после сильной артиллерийской подготовки. 50-й и 24-й пехотным дивизиям, наступавшим с востока в направлении на бухту Северную, не удалось продвинуться в поросшей почти непроходимым кустарником гористой местности. Наиболее ожесточенные бои развернулись на высотах южнее и севернее долины р. Бельбек, в стыке 3-го и 4-го секторов обороны города, где наступали 22-я и 132-я пехотные дивизии. В ходе ожесточенных четырехдневных боев 22-й дивизии удалось потеснить наши войска на 4–6 км. На опасное направление были брошены резервы: 7-я бригада морской пехоты и 40-я кавалерийская дивизия. Однако решила исход сражения, так же как под Киевом в августе 1941 г. и под Москвой в начале декабря 1941 г., «перманентная мобилизация». Вводом в бой 388-й стрелковой дивизии наступление противника было остановлено. Однако война XX столетия требовала большого расхода боеприпасов. При сохранении темпов расхода боеприпасов, какой наблюдался 17 декабря, в распоряжении защитников оставалось снарядов только на одни сутки. Потери Приморской армии за четыре дня боев составляли свыше 5 тыс. человек.
Нехватка боеприпасов и ввод в бой находившейся в резерве 388-й стрелковой дивизии побудили командование дополнительно усилить гарнизон Севастополя. Утром 20 декабря адмирал Ф. С. Октябрьский поставил крейсерам «Красный Кавказ» и «Красный Крым», эскадренным миноносцам «Бодрый» и «Незаможник» взять на борт свежесформированную 79-ю стрелковую бригаду полковника А. С. Потапова и доставить ее в Севастополь. На транспорте «Чапаев» было доставлено 15 тыс. снарядов и 27 тыс. мин. При этом адмирал Октябрьский предупредил, что на «Чапаев» был погружен весь боезапас, имевшийся на складах в Новороссийске. Вслед за стрелковой бригадой в Севастополь была доставлена 345-я стрелковая дивизия подполковника Н. И. Гузя и 125-й отдельный танковый батальон (25 танков Т-26). Постоянная подпитка резервами требовалась Приморской армии, поскольку у нее уже практически не было места для маневра. Захваченные противником позиции требовалось возвращать контратаками, на которые к тому моменту были способны только свежие соединения.
Предосторожность, из-за которой пришлось отложить планировавшуюся в это же время Керченско-Феодосийскую десантную операцию, оказалась оправданной. 21 декабря немцы продолжали наступление, стремясь прорваться из района Камышлы к платформе Мекензиевы горы, а также 132-й пехотной дивизией вдоль долины р. Бельбек. Вновь прибывшие 79-я бригада морской пехоты и части 345-й стрелковой дивизии 22 декабря контратаковали во фланг наступавшую группировку противника и восстановили положение.
Отсутствие в Крыму значительных сил немецкой авиации позволило участвовать в отражении штурма Севастополя кораблям Черноморского флота. С 21 декабря линейный