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.