战役开始前，苏军人数与德军相等，炮兵几乎是主要突击方向的两倍，航空兵多达50%。但是德军的坦克是苏军的两倍。苏联元帅铁木辛哥负责西南战区司令的总指挥。5日上午，法西斯德军发起进攻。“南方”集团军群(司令为G.龙德施泰特元帅)试图避免接近罗斯托夫的持久战斗，并计划从北部和东北亚科沃、沙赫特和新切尔卡斯克绕过罗斯托夫，包围第九集团军和独立第56集团军。德国第17集团军和意大利远征军向伏罗希洛夫格勒进攻，以遏制南方面军的其他部队，确保坦克第1集团军的成果。主要斗争在第九集团军右翼展开，敌人在此实施主要突击。
在这里，德军有4名师，其中2名坦克师攻击苏军2名步兵师。依托季亚科沃地区防坦克支撑点，第九集团军右翼各兵团成功击退了敌人的坦克冲击。在进攻的第一天，只有29辆坦克在步兵第186师区被摧毁。11月6日至7日，第九集团军队实施了强烈的反冲击。军航空兵给予防御军队巨大支援，对德军坦克集团进行突击，并从空中掩护地面军队。11月11日前，德军楔入第9集团军防30公里。然而，由于重大损失，“南方”集团军团领导人被迫放弃了最初的尝试。坦克第一集团军的任务是改变攻击方向，从北攻占罗斯托夫。在11月16日结束前，集团军突击集团向南推进到格涅拉利斯科耶普加乔夫一线。11月17日，南方面军转入反攻，开始了罗斯托夫的进攻战役(1941)，这也决定了罗斯托夫战争的结束。
苏军于11月17日开始进攻。同日，德军改变兵力部署后，再次向罗斯托夫发起进攻。德国坦克第一集团军从北向罗斯托夫进行了突击。起初，南方面军的进攻发展缓慢。由于天气不适合飞行，军航空兵在战役前三天未能对军队进行必要的支援。第三十七集团军进展最大，昼夜推进30-35公里。与此同时，德军利用坦克优势突破罗斯托夫，并于11月21日夺得该市。
独立第56集团军被迫撤退到顿河对岸和罗斯托夫以东。然而，南方面部攻击集团继续前进，并于26日抵达图兹洛夫河，这对占领罗斯托夫的敌人翼和后方构成了真正的威胁。坦克第一集团军被迫停止进攻，将其部队从罗斯托夫北调，以便在图兹洛夫河右岸组织第37和第9集团军的防御。
11月27日，南方面军突击集团和第56集团军(11月23日纳入南方面军)从西北和南向罗斯托夫转入进攻。在合围的威胁下，德军开始将军队撤出罗斯托夫。11月29日，在罗斯托夫民兵和游击队的配合下，第56、第9集团军部队清除了市内德军。12月2日前，苏军追击被击败的敌人各师时，前往米乌斯河，在此被德军预备防御所阻止。第12集团军在战斗中发挥了重要作用。集团军以顽强的防御拖延了德军的进攻，使其未能突破南方军队的翼侧和后方。
在罗斯托夫战役中，苏联军队杀害了2万多名德国人，摧毁并缴获了275辆德国坦克和470门火炮，迫使德国撤退60-80公里。
在罗斯托夫的防御战役中，敌人在罗斯托夫附近包围南方面军和突破高加索的计划被打破。苏联军队在第九集团军区巧妙地组织了坦克的防御。苏联军队的坚定和英雄精神对胜利具有决定性意义。战斗经验表明，组织良好的火力配置首先是炮兵火力配置，保持军队在防御中的坚定，并能够成功地对抗敌人重型坦克集团的攻击。