德軍"南方"集團軍羣的第11集團軍於1941年10月佔領克里木大部分地區後，集中兵力企圖在行進間一舉攻佔塞瓦斯托波爾地區，但該企圖遭到挫敗。
塞瓦斯托波爾守軍共有約2.3萬人，火炮150門。戰役發起時，工事構築尚未完成。按照分工，海上防禦由海岸炮兵和黑海艦隊負責。1941年11月9日，蘇聯紅軍又將濱海集團軍3個師的兵力編入塞瓦斯托波爾的防禦序列，用於增強防禦力量。黑海艦隊分艦隊，由於受到德軍炮兵和航空兵火力的威脅，大部撤往高加索地區待機，只留幾艘戰列艦和巡洋艦組成火力支援隊，支援陸上防禦作戰。
德軍經過短暫的準備，連續對該城發起了三次猛烈進攻。第一次進攻於1941年11月11日至21日實施。德軍集中4個步兵師、1個摩托化師和1個羅馬尼亞摩托化旅，沿雅爾塔公路向巴拉克拉瓦方向實施主要突擊，並從切爾克茲·卡爾緬地區向卡臘科巴谷地實施輔助突擊。經激烈交戰，德軍雖在兩個方向上的個別地段突入蘇聯紅軍防禦陣地1-4公里，因損失嚴重，被迫於21日停止進攻。但由於蘇聯紅軍第51集團軍沒有守住刻赤半島，塞瓦斯托波爾局勢更加嚴峻。
利用短暫的平靜時機，雙方都積極調整部署並增加了有生力量。12月7日，德軍投入7個步兵師、2個羅馬尼亞旅和1270餘門火炮，發動了第二次進攻。德軍在人員和主要技術裝備上幾乎超過蘇聯紅軍1倍。儘管蘇聯紅軍頑強抵抗，在德軍主要突擊方向上仍出現了面臨被突破的危險局面。蘇聯紅軍統帥部緊急調集部隊，增強防禦力量，同時對突出的德軍翼側實施反突擊，擊退了主要方向上的德軍，暫時消除了被突破的威脅。爲減輕塞瓦斯托波爾城防的壓力，調動德軍，蘇聯紅軍決定對刻赤半島實施登陸戰役。這一戰役於1941年12月26日至1942年1月2日實施，迫使德軍從塞瓦斯托波爾調走大量兵力，在近5個月內沒能採取積極的進攻行動。蘇聯紅軍利用這一時期積極改進防禦部署，增補物資，並實施一系列攻勢行動消耗敵人，改善防禦態勢，在個別地段把德軍擊退1-4公里。
結果
1942年5月初，蘇聯紅軍爲集中兵力防守塞瓦斯托波爾，錯誤地放棄了刻赤半島，使德軍得以集中兵力對付塞瓦斯托波爾，形勢非常危急。德軍加強了對塞瓦斯托波爾的轟炸和海空封鎖，切斷了蘇聯紅軍海上交通線，並於6月7日拂曉發起了第三次進攻，德軍不斷增調兵力，而蘇聯紅軍的各種補給開始感到奇缺，同時失去了空中掩護。6月30日，在彈盡糧絕的情況下，蘇聯紅軍最高統帥部命令從塞瓦斯托波爾撤出。至7月4日，蘇聯紅軍一部分乘艦艇撤走，一部分突圍後進入山區參加了游擊隊。
塞瓦斯托波爾戰役歷時250天。它作爲處於敵人深遠後方被合圍情況下，長期堅持，頑強防禦的範例而載入軍事史冊。
點評
第一，在這次作戰中，蘇聯紅軍對該城市的防禦提前做了多種準備，並及時完善了指揮機構。早在戰爭前，蘇聯紅軍就對這個濱海城市做好了海上和對空防禦作戰的準備。戰爭爆發後，根據戰況發展又及時建立和完善了對陸上防禦和抗登陸作戰的準備，以塞瓦斯托波爾爲中心，在陸上構築了三道防線，即建立了三個防區和劃分了四個防禦地境，並以此區分了任務。爲了加強統一指揮，蘇聯紅軍及時地完善了指揮機構，任命黑海艦隊司令員兼任防區司令統一指揮陸海空三軍的行動。
第二，以外圍作戰爲重點，建立縱深的防禦體系，是被合圍條件下長期堅守的重要原因。在初期僅有7個師左右兵力的情況下，將4個師的兵力部署在外圍。隨着戰役的發展和兵力的增加，逐步加大火力密度，由開始時平均每公里正面4個支撐點，增加到17個支撐點。由於將作戰重點放到外圍，增加了防禦縱深，增強了防禦彈性，得以在外圍抗擊德軍近250天。
第三，積極頑強作戰，不斷增強防守力量。這次戰役，德軍曾想用4天時間，從行進間一舉攻佔塞瓦斯托波爾，但是，蘇聯紅軍防禦部隊在艦炮和航空火力密切協同下，挫敗了德軍的企圖，使其不得不重新調集兵力實施進攻。面對德軍連續3次一次比一次猛烈的進攻，蘇聯紅軍堅守部隊不怕被合圍，頑強作戰，採取各種手段不斷增強防禦力量，並積極採取各種規模的攻勢行動，大量殺傷敵人，改善防禦態勢。蘇聯紅軍在海上和空中被嚴密封鎖，處於完全被合圍的狀況下，仍頑強抵抗，與敵反覆爭奪。從野戰打到巷戰，每地必爭，每巷必奪，說明處於被合圍的情況下，首先要有不怕被合圍，在精神上壓倒敵人的氣概。
第四，密切配合協同，發揮整體作戰威力。作戰中，陸海空軍和諸兵種部隊密切協同，軍民共同作戰，發揮了整體力量。陸軍積極頑強地堅守陣地，航空兵雖處劣勢，但給了陸軍以極大的支援，尤其對挫敗德軍第一、第二次進攻起了重要的作用。海軍的岸炮和艦炮在最緊張的階段，曾構成城防火力配置的主體，以火力保障了地面防守部隊的作戰。艦艇部隊還對控制海域，保障海上交通暢通無助，作出了重要的貢獻。塞瓦斯托波爾市民除直接參戰，還積極構築工事，搶救傷員等，對防禦作戰發揮了不可磨滅的作用。爲紀念塞瓦斯托波爾英勇防禦和表彰該市對祖國做出的巨大功績，蘇聯最高蘇維埃主席團於1954年10月16日授予塞瓦斯托波爾紅旗勳章。爲表彰塞瓦斯托波爾的業績，建造了由魯博創作的《塞瓦斯托波爾防禦》環形全景畫陳列館;馬拉霍夫崗建有分館;還爲科爾尼洛夫、納希莫夫、托特列邊、水兵科什卡，以及沉沒的戰艦等樹立了紀念碑。
