Около полуночи Военный совет СОРа доложил Верховному главнокомандующему Сталину (и в копиях – наркому ВМФ и командующему Черноморским флотом), что противник, сосредоточив крупные силы, при поддержке танков и бомбардировочной авиации, в течение трёх дней вел ожесточенное наступление с целью овладеть Севастополем. Не считаясь с огромными потерями в живой силе и технике, немцы непрерывно вводили в бой свежие силы.
Наши войска упорно отстаивали оборонительные рубежи и за первые два дня боёв понесли потери до 3000 человек. Также большие потери имелись в орудиях, пулемётах и миномётах. Большинство батарей береговой обороны главной базы подавлены или расстреляны. Войска СОРа почти по всему фронту отошли на второй рубеж. Резервы израсходованы, нет снарядов наиболее нужных калибров: 107-мм корпусных, 122-мм гаубичных и 82-мм мин. Остальной боезапас также на исходе.
С 20 декабря в целях усиления войск, действовавших на фронте, будет введен в бой личный состав с кораблей, береговых батарей, зенитной артиллерии, аэродромной службы и др.
Если противник будет продолжать наступление в том же темпе, гарнизон Севастополя сможет продержаться не более трёх суток.
По поручению Ставки Верховного главнокомандования начальник Генштаба Красной армии маршал Шапошников передал командующему Закавказским фронтом и командующему Черноморским флотом директиву Ставки № 005898 от 20 декабря. Ставка приказывала:
1. Подчинить во всех отношениях Севастопольский оборонительный район командующему Закавказским фронтом.
2. Командующему Черноморским фронтом немедленно выехать в Севастополь.
3. Командующему Закавказским фронтом немедленно командировать в Севастополь крепкого общевойскового командира для руководства сухопутными операциями.
4. Командующему Закавказским фронтом немедленно отправить в Севастополь одну стрелковую дивизию или две стрелковые бригады.
5. Оказать помощь Севастопольскому оборонительному району авиацией Закавказского фронта силами не менее пяти авиаполков.
6. Немедленно отправить в Севастополь пополнение в количестве не менее 3000 человек.
7. Командующему Закавказским фронтом немедленно подать в Севастополь снаряды, учитывая, что снаряды 107-мм, 122-мм гаубичные и 82-мм мины совершенно израсходованы.
В 4 часа утра 21 декабря из Поти в Севастополь с грузом боезапаса вышел лидер «Ташкент». А в 4 ч. 30 мин. из Поти в Севастополь вышли: транспорт «Калинин», имевший на борту 1750 бойцов, четыре 76-мм и четыре 122-мм орудия; транспорт «Димитров» (1570 бойцов, четыре 122-мм и два 45-мм орудия) и транспорт «Серов» (1930 бойцов, семь 76-мм орудий 345-й стрелковой дивизии). Транспорты шли в охранении эсминцев «Способный» и «Шаумян».
За 5 дней непрерывных боёв немцы продвинулись на ряде направлений на 5–7 км и приблизились к центру города на расстояние до 7 км, то есть в пределах дальности огня дивизионной артиллерии.
С 17 по 21 декабря части СОРа потеряли только ранеными 6000 человек и не менее 2000 человек убитыми. Выведены из строя 22 орудия полевой артиллерии и 15 орудий береговой обороны главной базы. Большинство стволов корабельных и армейских орудий СОРа из-за частой стрельбы имели большой износ.
В 00 ч. 05 мин. 22 декабря из Туапсе в Севастополь вышли: транспорт «Курск», на борту которого находилось1900 бойцов, два 45-мм, пять 76-мм и пять 122-мм орудий; транспорт «Фабрициус» (1700 бойцов и четыре 76-мм орудия), транспорт «Красногвардеец» (1220 бойцов) и 12 миноносцев. В охранении их шли эсминец «Сообразительный» и тральщики «Щит» и «Взрыв».
В 6 ч. 10 мин. из Поти в Севастополь вышли крейсер «Коминтерн», минзаг «Островский» и эсминец «Железняков», принявшие на борт 2773 бойца маршевых рот и 4,5 вагона боезапаса.
В 7 ч. 30 мин. в Севастополь в охранении тральщика «Защитник» и двух сторожевых катеров прибыл транспорт «Абхазия».
22 декабря немецкие войска атаковали вяло и без особого успеха. Тем не менее командование СОРа решило сократить фронт между долинами рек Бельбек и Кача. В ночь на 23 декабря 1-й батальон 8-й бригады морской пехоты и 90-й стрелковый полк были отведены к долине реки Бельбек до деревни Любимовка. Отступление значительно сократило фронт и позволило вывести в общий резерв для переформирования и пополнения наиболее утомленные и понесшие значительные потери части: 8-ю бригаду морской пехоты, 773-й стрелковый полк и 40-ю кавалерийскую дивизию. 203-мм батарея № 10 была взорвана, а её личный состав отошел на батарею № 30.
В Приморскую армию начали прибывать части 345-й стрелковой дивизии. К 23 декабря прибыли две бронетанковых роты 965-го стрелкового полка и 1165-й стрелковый полк, разместившийся в районе Инкерманской долины, два батальона 1163-го стрелкового полка, которые разместились в районе кордона Мекензия № 1, и штаб дивизии, расположившийся на восточной окраине Инкермана.
23 декабря корабли Черноморского флота вели огонь по войскам противника на подступах к Севастополю. Лидер «Ташкент» произвел 257 выстрелов, лидер «Харьков» – 234, эсминец «Смышленый» – 109 и эсминец «Способный» – 100 выстрелов.