塞瓦斯托波尔位于克里木半岛西南部黑海沿岸，是苏联黑海舰队的主要基地。1939年9月希特勒德国开始进攻波兰后，塞瓦斯托波尔从抗击来自海上和空中袭击方面作了一定准备。在海军基地境内的海岸构筑了完整的岸炮配系，由歼击航空兵、高炮第61团和高射机枪营担任对空防御。
但是，忽视了陆上防御和反登陆防御，直到1941年7月塞瓦斯托波尔才开始建立陆上防御配系。这个配系由3个防御地带组成。第一防御地带距城市16~17公里，长约50公里，但在敌军克里木半岛发动进攻前，尚未构筑完毕，截至10月30日仅仅修筑4个独立的防御据点。第二个防御地带距城市10~12公里，长约35公里，纵深200~300米，是守军的主要防区。第三防御地带距城市3~6公里，长近19公里，纵深为300~400米。塞瓦斯托波尔的守备部队约有2.3万人，野战炮和海岸炮约150门。海上防御由黑海舰队所属的海岸炮兵和舰艇部队承担。
1941年10月德国第11集团军突入克里木后，企图一鼓作气，于10月30日、31日或11月初攻下塞瓦斯托波尔，但因受到守军的顽强抗击而未能得逞。
后来，德军先后发动3次猛烈的进攻。按照攻防作战的情况，塞瓦斯托波尔防御战可分为三个阶段：第一阶段自1941年10月30日至11月21日，主要是抗击敌军的首次进攻，第二阶段1941年11月22日至12月31日，抗击敌人于12月进行的第2次进攻；第三阶段为1942年1月1日至7月4日。在第三阶段，由于战斗行动主要发生在刻赤半岛，塞瓦斯托波尔一带有个时期比较平静，进入夏季才开始抗击法西斯德军实施的第3次进攻。
1941年11月上旬，苏联最高统帅部大本营，根据海军统帅部代表列夫钦科海军中将的建议，决定成立统一指挥当地陆海部队的塞瓦斯托波尔防区，黑海舰队司令奥克佳布里斯基海军中将被任命为防区司令，滨海集团军司令彼得罗夫少将被任命为防区副司令，分管陆上防御。
至1月10日，整个防区共有5.2万人，170门火炮和近百架飞机。黑海舰队的基本兵力已于11月初转移到高加索沿岸各港口，但有1艘战列舰，数艘巡洋舰和其他一些舰艇仍定期驻泊在塞瓦斯托波尔。为了便于指挥，奥克佳布里斯基将军把塞瓦斯托波尔防区划分为4个分区，即东南分区、东部分区、东北分区和北部分区。各分区设有指挥长。塞瓦斯托波尔的海上防御早已部署就绪。在基地附近水域布设了防御水雷障碍，用栅网障碍堵塞了北湾入口，加强了舰艇巡逻队和高炮部队，并增设了观通站、水声站和测向站等，驻塞瓦斯托波尔的海岸炮兵、海军航空兵和舰艇部队负责抗击敌人的海上登陆。
德军第一次进攻发生在11月11~21日。德军集中4个步兵师、1支摩托化部队和1个罗马尼亚摩托化旅，沿雅尔塔公路向第一分区的巴拉克拉瓦方向实施主要突击，并在第二、第三分区的结合部从切尔克兹-克尔缅地区沿卡拉-科比亚谷地实施辅助突击。经过10天激烈战斗，德军只在个别地段上突入前沿防线l~4公里。进攻部队损失大量兵员和技术装备，有的师减员达60％。
为了重新组织进攻，德国法西斯统帅部不得不把东部战线其他地区的部队调到克里木半岛，以图尽快攻占黑海舰队的主要基地。苏军统帅部则利用短暂的平静时机进一步加强城市防御。12月7~13日，舰艇部队和运输船队把第388师和9个补充营从高加索各港口运到塞瓦斯托波尔。在德军第二次进攻前，苏联濒海集团军共有4个步兵师、1个骑兵师、2个海军陆战旅和2个独立步兵团。而德国第11集团军这时也得到了加强：其最高统帅部将德军第24和第73步兵师、罗马尼亚军第1、第4山地步兵旅以及在刻赤半岛作战的德军第170步兵师调到塞瓦斯托波尔城下。
1941年12月17日，德军在炮兵和航空兵的火力准备之后发起了第二次进攻。投入7个德国步兵师和2个罗马尼亚山地步兵旅、1275门各种火炮、150多辆坦克、近300架飞机。其中有3个师和2个旅向第三和第四分区的接合部实施主要突击，1个师向因克尔曼实施辅助突击。
在主要突击方向上，德军占领了卡梅什雷，越过梅肯齐耶维山，接近公路和铁路沿线。12月21日，德军加强攻势，企图直取北湾。21日中午，从诺沃罗西斯克驶出的一支苏军舰艇部队冒着敌人的炮火与飞机的空袭冲入北湾，将第79海军陆战旅的4000名士兵送到塞瓦斯托波尔，并在次日使其投入战斗，实施反冲击，阻止了敌人的进攻。22~24日，苏军第345步兵师和1个坦克营从波季、图阿普谢赶来；28日，第386步兵师也相继赶到。塞瓦斯托波尔防区部队，在舰艇部队和航空兵的火力支援下，将主攻方向上的敌人赶出了卡梅什雷。在苏军抗击敌人第二次进攻的战斗中，18艘舰艇进行了火力支援。军舰开炮203次，消耗炮弹5605发。驻在赫尔松涅斯机场上的航空兵群，从12月17日至31日共出动1130架次。
这次德军进攻之所以受挫，是因为1941年12月26日苏军开始实施刻赤-4役，使德军不得不从塞瓦斯托波尔城下抽出大量兵力，并将克里木半岛中、西部的航空兵几乎全部投入刻赤-费奥多西亚方向的作战。
1942年1~3月，防守塞瓦斯托波尔的苏联陆上部队，在舰艇部队和航空兵的支援下实施一系列反突击，并在个别地段上把敌人击退数公里。
但由于1942年5月底苏军被迫放弃刻赤半岛，塞瓦斯托波尔的局势急剧恶化。德国法西斯统帅部在塞瓦斯托波尔附近几乎集中了第11集团军的全部兵力10个师，20.4万人，450辆坦克、2000多门各种火炮和600架飞机。而当时塞瓦斯托波尔防区的苏军只有10.6万人，600门各种火炮、38辆坦克、53架飞机。德军以人员多1倍、火炮超过2倍、坦克和飞机超过10倍的优势于6月发动了第三次进攻。德军从空中封锁城市，并加强海上封锁。从5月27日起，塞瓦斯托波尔不断遭到德军航空兵和炮兵的袭击。6月2~6日，德军进行了猛烈的炮火准备和航空火力准备，尔后于7日拂晓再举进攻。德军从北面和东北面对北湾东端实施主要突击，从卡马雷地区越过萨蓬山，向塞瓦斯托波尔东南郊实施辅助突击。6月18日，德军推进到北湾、因克尔曼和萨蓬山等地。6月29日，德军突入市内。6月30日，德军突入舰艇停泊区，并发生了激烈的马拉霍夫岗争夺战。
当日黄昏，防守塞瓦斯托波尔的一部分苏军，遵照最高统帅的命令，开始撤向斯特列列茨卡亚湾、卡梅舍瓦亚湾、卡扎奇亚湾和赫尔松涅斯角，并继续战斗到7月4日，个别地方直到7月9日才停止战斗。塞瓦斯托波尔的另一部分防守部队突围后进入山区对敌进行游击战。塞瓦斯托波尔被放弃后，苏联黑海舰队转移到高加索各港口，又积极投入保卫高加索的作战。
塞瓦斯托波尔攻防战历时250天。在交战过程中，德军损失惨重，死伤官兵共30万人。苏军的这次防御战，长时间地牵制了德、罗部队的大量兵力，打破了希特勒统帅部在苏德战场南翼的进攻计划。