Novému útoku okrem preskupenia jednotiek predchádzalo 5-dňové ťažké ostreľovanie, do ktorého sa zapojili aj kanóny Schwerer Gustav a Dora (strieľajúce najväčšie náboje v histórii delostrelectva, vážiace 7 ton). Podľa niektorých zdrojov, boli pri týchto bojoch použité aj delostrelecké granáty, ktoré obsahovali bojové otravné látky. Následne 6 nemeckých a 2 rumunské divízie 17. decembra obnovili svoje pozemné útoky. Hlavný úder zasiahol 3. a 4. sektor obrany v smere z Duvankoj na Belbeckú dolinu a Kamyšly. Cieľom bola železničná stanica Mekenzievy Gory a Inkerman, teda dôležité oporné body nad Severnou zátokou. Pomocné údery boli vedené z Nižného Čorgunja na Inkerman a po jaltskej ceste na Balaklavu. Boje sa však rozpadli na krvavé potýčky pripomínajúce zákopové boje prvej svetovej vojny. V tej dobe sa k hrôze vojny pridali i zhoršujúce sa zimné počasie a najmä dážď, ktoré výrazne sťažili vojenské operácie a zhoršil podmienky vojakov na oboch stranách. 21. decembra už boli Nemci na dosah Severnej zátoky. Sovietske vrchné velenie preto presunulo do Sevastopoľa ďalšie sily. V rozhodujúcom momente zasiahla 79. samostatná strelecká brigáda námornej pechoty, ktorá 22. decembra viedla protiútok v oblasti Mekenzieho hôr a zastavila nemecké útoky. 23. a 24. decembra sa podarilo do mesta prepraviť ďalšie posily, ktorými bola 345. strelecká divízia a tankový prápor. 28. decembra sa podarilo ukončiť prepravu 386. streleckej divízie. Sovietske jednotky následne podnikli rady protiútokov a v priebehu 1. až 4. januára získali späť mnohé stratené postavenia. Práve v dobe, keď sa úporne bojovalo v blízkosti protilietadlovej batérie, ktorú Nemci pomenovali pevnosť Stalin, uskutočnili sovietske vojská Kerčsko-feodosíjsku operáciu.