戰役開始前，蘇軍人數與德軍相等，炮兵幾乎多2倍(在主要突擊方向)，航空兵多50%。但德軍的坦克比蘇軍多1倍。戰役由西南戰區司令蘇聯元帥鐵木辛哥負責總指揮。5日晨，法西斯德軍發起進攻。“南方”集團軍羣(司令爲G.龍德施泰特元帥)首腦力圖避免在羅斯托夫接近地進行持久戰鬥，打算以坦克第1集團軍的深遠包圍機動，從北和東北經季亞科沃、沙赫特、新切爾卡斯克迂迴羅斯托夫，併合圍第9集團軍和獨立第56集團軍。德軍第17集團軍一部和意大利遠征軍向伏羅希洛夫格勒實施進攻，以牽制南方面軍其餘兵力和保障坦克第1集團軍戰果。主要鬥爭在第9集團軍右翼展開，敵人在此實施主要突擊。
在這裏，德軍4個師，其中包括2個坦克師進攻蘇軍2個步兵師。第9集團軍右翼各兵團依託季亞科沃地域內的防坦克支撐點，順利擊退了敵人的坦克衝擊。進攻第一日，僅在步兵第186師地帶內就擊毀坦克29輛。11月6—7日，第9集團軍部隊實施了強大反衝擊。方面軍航空兵給了防禦軍隊以巨大支援，對德軍坦克集團實施突擊，並從空中掩護地面軍隊。至11月11日前，德軍楔入第9集團軍防禦30公里。但由於損失重大，“南方”集團軍羣首腦被迫放棄其最初企圖。坦克第1集團軍受領的任務是改變突擊方向，從北實施進攻，以攻佔羅斯托夫。至11月16日日終前，該集團軍突擊集團向南推進至格涅拉利斯科耶普加喬夫一線。11月17日，南方面軍轉入反攻，開始了羅斯托夫進攻戰役(1941)，在此役過程中也決定了羅斯托夫爭奪戰的結局。
11月17日，蘇軍開始進攻。同日，德軍變更兵力部署後，也再度向羅斯托夫方向發起進攻。德軍坦克第1集團軍從北面向羅斯托夫實施了突擊。起初，南方面軍的進攻發展緩慢。由於天氣不宜飛行，方面軍航空兵在戰役頭3天未能對陸軍部隊進行必要的支援。第37集團軍進展最大，4晝夜推進30—35公里。與此同時，德軍利用坦克優勢突向羅斯托夫，並於11月21日奪佔該市。
獨立第56集團軍被迫退至頓河對岸和羅斯托夫以東。然而南方面軍突擊集團繼續前進，於26日進抵圖茲洛夫河地區，對奪取了羅斯托夫的敵軍翼側和後方造成現實威脅。坦克第1集團軍被迫停止進攻，將其一部兵力從羅斯托夫北調，以便在圖茲洛夫河右岸組織對第37、第9集團軍的防禦。
11月27日，南方面軍突擊集團和第56集團軍(11月23日編入南方面軍)，從西北和南向羅斯托夫轉入進攻。德軍在被合圍的威脅下，開始將其軍隊撤出羅斯托夫。11月29日，第56、第9集團軍部隊在羅斯托夫民兵和游擊隊配合下，肅清了市內德軍。蘇軍追擊被擊潰的敵人各師時，於12月2日前出至米烏斯河，在此被德軍預有準備的防禦所阻止。第12集團軍在戰役中起了重要作用，該集團軍以頑強的防禦遲滯了德軍進攻，使其未能突向南方面軍進攻軍隊的翼側和後方。
在羅斯托夫戰役中，蘇軍共斃傷德軍2萬餘人，擊毀和繳獲德軍坦克275輛、火炮470門，迫使德軍西撤60-80公里。
羅斯托夫防禦戰役結果，敵人在羅斯托夫附近合圍南方面軍和突向高加索的計劃被打破。在第9集團軍地帶巧妙組織對坦克的防禦，蘇軍的堅定性和英雄主義精神，對取得戰役勝利具有決定性意義。戰役經驗表明，組織良好的火力配系，首先是炮兵火力配系，以及保持軍隊在防禦中的堅定性，能夠順利抗擊敵人重兵坦克集團的突擊。
