Вечером 10 сентября бомбардировщики атаковали немецкие позиции на берегу, а ночью под артиллерийскую подготовку из 800 орудий и минометов началась высадка десанта под прикрытием дымовой завесы. Заграждения на входе в бухту были уничтожены с помощью торпед и взрывчатки. С большими потерями удалось высадить более половины десанта. Были потоплены 2 торпедных катера и 3 морских охотника МО-IV, а многие другие малые суда были повреждены. Но ни один из советских плацдармов не был соединен с другим, а после восхода солнца советские катера уже не могли прорываться в гавань и доставлять снабжение десантникам. Что было еще хуже, провалились советские наземные операции. 20-й стрелковый корпус так и не смог вырваться с Малой земли. А 318-я стрелковая дивизия не смогла прорвать позиции германской 73-й пехотной дивизии на восточной окраине Новороссийска. Контратака двух батальонов 4-й горнострелковой дивизии практически уничтожила 255-ю морскую стрелковую бригаду. 11 сентября немецкие контратаки нанесли тяжелые потери 1339-му стрелковому полку, но его остатки смогли продержаться до прибытия подкрепления из 1337-го стрелкового полка 318-й стрелковой дивизии. Петров также передал Леселидзе из фронтового резерва оставшуюся часть 55-й гвардейской стрелковой дивизии и 5-ю гвардейскую танковую бригаду. 12 сентября началось новое наступление на восточные пригороды Новороссийска. К 13 сентября 1337-й и 1339-й полки соединились. Позиции 73-й пехотной дивизии на высоте «Сахарная голова» оказались обойдены. Ожидая приказ об эвакуации, Альмендинер не собирался удерживать Новороссийск, а лишь пытался замедлить советское наступление, чтобы выиграть время.
15 сентября началось наступление 56-й армии против 79-й пехотной дивизии у Киевского, но оно было остановлено сильным артиллерийским огнем. Но вечером 15 сентября 9-я, 79-я и 98-я пехотные и 97-я егерские дивизии отступили к позиции «Зигфрид». 73-я дивизия оставила Новороссийск. 56-я армия атаковала арьергарды 44-го армейского корпуса. 18-я армия пыталась задержать германскую 4-ю горнострелковую дивизию. 16 и 17 сентября разгорелись ожесточенные бои, но советские войска не смогли задержать противника. 18 сентября 49-й горнострелковый корпус начал отступление со своих позиций к северу от Кубани. 20 сентября 18-я армия достигла окраин Анапы и атаковала немецкую 4-ю горнострелковую и румынскую 19-ю пехотную дивизии. 21 сентября советские войска вошли в город. 6 советских торпедных катеров попытались высадить десант в гавани Анапы, но были отбиты румынскими горными стрелками. К исходу 21 сентября все соединения 17-й армии достигли позиции «Хаген», сократив фронт с 90 до 60 км.
21 и 22 сентября 56-я армия атаковала позиции 44-го армейского корпуса у Варениковской, но эта атака была отражена с помощью штурмовых орудий. 23 сентября 5-й армейский корпус отошел на 10–12 км и занял позицию «Рюдигер». Часть 50-й пехотной дивизии начала отступление на Таманский полуостров, чтобы оборудовать там последние оборонительные позиции. 24 сентября все советские атаки были отражены. 25 сентября был высажен десант у Темрюка в виде усиленного батальона советской 389-й стрелковой дивизии. Одновременно 9-я армия атаковала позиции 50-й и 370-й пехотных дивизий у Курчанской. Но немцы сначала отбили эту атаку, а потом уничтожили десант. В тот момент эвакуация уже шла полным ходом, и 5-й и 44-й армейские корпуса уже были отведены в Крым. 8 их дивизий должны были быть переправлены через Керченский пролив, как только освободится необходимый тоннаж. 49-й горнострелковый корпус с 6 дивизиями, включая 19-ю пехотную румынскую, должен был выступать в качестве арьергарда. Румынская дивизия показала себя с самой лучшей стороны. Ее противотанковые артиллеристы подбили 21 советский танк в боях 22 и 23 сентября.
Еще один советский десант численностью в 800 человек из 166-го гвардейского стрелкового полка 55-й гвардейской стрелковой дивизии был высажен на косу Бугаз. Там не было укрытий, и десантники попали под убийственный огонь румынской 9-й кавалерийской дивизии, занимавшей станицу Благовещенская напротив косы. Затем они понесли большие потери от германских пикировщиков и от контратаки румынской кавалерии, поддержанной несколькими танками. На косу было высажено советское подкрепление. Десантники получили поддержку ВВС Черноморского флота, но так и не смогли захватить Благовещенскую. 49-й горнострелковый корпус удержал свои позиции в течение недели. За это время остальные войска были эвакуированы в Крым.
