ケルチでの敗北は、セヴァストポリの防衛者たち、すなわちペトロフ将軍率いる沿岸軍の状況を深刻に悪化させた。6月初めの時点で、この部隊は7個歩兵師団、4個旅団、2個海兵連隊、2個戦車大隊および装甲列車1編成で構成されており、総兵力は10万6,000人を超え、火砲600門と迫撃砲100門以上を擁していた。しかし戦車はわずか38両に過ぎなかった。セヴァストポリ近郊の飛行場を拠点とする航空部隊が運用できる機体も、わずか55機であった。
圧倒的な火力を集結させるドイツ軍
ケルチ作戦が完了すると、ドイツ軍最高司令部は第11軍の主力にあたる約10個歩兵師団をセヴァストポリ周辺に集結させ、「可能な限り速やかに同市を攻略せよ」という任務を与えた。突撃に向けて大量の火砲が並べられた。第11軍の元司令官エーリヒ・フォン・マンシュタイン将軍の報告によれば、決定的打撃を担当する第54軍団は120個砲兵中隊の支援を受け、うち56個中隊が重砲および超重砲(口径190mm〜420mm)であった。さらにドイツ軍は、超重迫撃砲中隊と、線路上を走って運用される巨大な800mm列車砲「ドラ」も配備していた。攻勢開始までに、大量の戦車と航空機も展開されていた。
ドイツ有数の名将とされるマンシュタインが指シュタインが指揮するドイツ軍の総戦力は、兵員20万4,000人、76mm〜420mmの火砲670門、対戦車砲655門、迫撃砲720門、戦車450両、航空機600機に達した。
海上からの封鎖
セヴァストポリの海上封鎖のため、ドイツ軍はクリミアの各港(アク・メチェト、エウパトリヤ、ヤルタ)に魚雷艇19隻、哨戒艇30隻、駆潜艇8隻を配置し、さらに艦船攻撃の専門訓練を受けた爆撃機150機を集めた。魚雷艇の大半はヤルタに停泊し、外界とセヴァストポリ要塞陣地を結ぶ主要補給線に対して行動することができた。このドイツ軍の布陣により、市守備隊への補給はきわめて困難となり、黒海艦隊の高速船の大部分と、北カフカース戦線所属の輸送航空連隊1個の投入を余儀なくされた。最終的には潜水艦までもが、弾薬・燃料・食料をセヴァストポリへ運ぶために動員されたのである。
攻勢の開始
6月2日、マンシュタインは空爆と砲撃を組み合わせた攻撃を開始し、これが5日間続いた。そして6月7日の朝、歩兵部隊による突撃が始まった。主攻撃はカムイシリー=ベルベク地区に指向され、北湾東端方面へ向かった。副次的な攻撃はヤルタ街道沿いに加えられた。ドイツ軍は、この二方向からの収斂攻撃によってソ連軍を分断・包囲し、各個に撃破することを狙っていたのである。
泥沼の激戦
凄まじい戦闘が幕を開けた。ドイツ空軍は1日に600〜1,000ソーティの出撃を行い、ドイツ砲兵はソ連軍陣地への砲撃を休みなく続けた。攻勢初日、ドイツ国防軍はソ連軍の防御線をわずかに突破したものの、それは一箇所にとどまった。その後数日間、ドイツ軍は甚大な損害を出しながらも執拗に攻撃を重ねたが、ソ連の歩兵、海兵隊員、砲兵、迫撃砲要員たちは阻止陣地に踏みとどまり続けた。
マンシュタイン自身、後年の回想録において、非常に大きな損失と引き換えに得た前進にもかかわらず、6月中旬の時点で攻勢の命運は風前の灯火のように見えたと認めている。ドイツ軍の攻撃力は目に見えて鈍り始めた一方で、ソ連軍部隊には弱体化の兆候がまるで表れなかった。こうしてドイツ軍最高司令部は、ケルチ半島から到着した第45歩兵師団をもってセヴァストポリ包囲部隊を増強せざるを得なくなり、6月後半には、当時ドンバス地方で作戦行動中だった第17軍の隷下部隊の一部を転用し始めたのである。