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.
17 декабря в налетах на Севастополь приняли участие 98 самолетов люфтваффе, однако их ожидал достойный отпор. Два бомбардировщика были сбиты советскими зенитчиками, а еще пять уничтожили и три повредили летчики севастопольской авиагруппы. М.В. Авдеев, вылетевший на перехват вражеских самолетов во главе девятки истребителей, так описывал этот бой: «Как и условились на земле, пары Авдеев — Шилкин, Алексеев— Бабаев и Ватолкин — Шелякин устремились навстречу бомбардировщикам. Их цели — разбить плотный строй, к которому невозможно было подойти ни сзади, ни сверху. Сбоку пошла в атаку не успевшая сесть дежурная четверка «мигов» Кудымова. Пары Рыбалки, Калинина, Данилко и Гриба закрутили карусель с «мессершмиттами». Строй бомбардировщиков раскололся.
Кто-то из четверки Кудымова поджег Ju 88, и тот упал в море. Я стрелял по «хейнкелю». Сбить его удалось только с третьего захода. Хотел атаковать и «юнкерса», сбрасывающего в море бомбы, но на боевом развороте помешали «мессершмитты».
Сбросили бомбы в море и повернули назад еще несколько стервятников. Остальные бомбили наш аэродром. По ним открыла огонь плавучая батарея. Одного «юнкерса» зенитчики сбили сразу, и он догорал на заснеженном пустыре за Казачьей бухтой. Другой от прямого попадания снаряда развалился в воздухе и горящими кусками падал в бухту. Два другие, с трудом держась, уходили под охраной своих истребителей. За пределами действий плавучей батареи пары Алексеева и Ватолокина поймали отставшего «юнкерса». Он отчаянно отстреливался. «Мессершмитгов» близко не было, и тогда наши летчики применили звездную атаку — одновременно с четырех сторон. И «юнкере» свалился. Один гитлеровец успел выпрыгнуть и болтался на парашюте за городком 35-й батареи…»
Немецкие бомбы причинили городу новые разрушения. На аэродроме Херсонесский маяк в результате прямого попадания был поврежден капонир и находившийся в нем истребитель И-153.
В течение 17 декабря севастопольская авиагруппа выполнила 115 самолето-вылетов, в том числе 30 — на штурмовку наступавших немецких войск. Против наземных целей интенсивно использовались самолеты Ил-2, которые за день четыре раза поднимались в воздух для атаки противника в районе горы Азис-Оба. Кроме живой силы врага, летчики доложили также об уничтожении 7 единиц бронетехники и двух штабных автобусов.