20 декабря директивой Ставки ВГК СОР был подчинен командованию Закавказского фронта, что сразу сильно упростило решение вопросов выделения пополнений и предметов снабжения. Уже на следующий день из Новороссийска в Севастополь на боевых кораблях была доставлена 79-я особая морская стрелковая бригада. Контратака, предпринятая силами двух батальонов этой бригады 22 декабря, привела к успеху местного значения, но на других участках противник продолжал наступать, и к исходу суток до берега Северной бухты ему оставалось не более 4–5 км. 21-го из Туапсе в Севастополь на транспортах была отправлена 345-я стрелковая дивизия, передовые части которой выгрузились в севастопольском порту 23 декабря. С их помощью удалось стабилизировать обстановку до 28 декабря, когда противник нанес очередной мощный удар, в результате которого захватил станцию Мекензиевы горы и вышел на подступы к 305-мм 30-й батарее. Утром 29 декабря в Севастополь прибыли линкор «Парижская коммуна» и крейсер «Молотов», доставившие очередное подкрепление – 386-ю дивизию. Поддержанные артиллерией кораблей советские войска предприняли попытку контрнаступления, но поскольку наступательные задачи имели и войска противника, сражение разбилось на несколько участков, где одни и те же объекты переходили по нескольку раз из рук в руки. Свои последние атаки утром 31 декабря немцы вели против позиций 30-й береговой и 365-й зенитной батарей, являвшихся ключом к обороне СОРа на Северной стороне. В ходе боя артиллеристы-зенитчики уничтожили три танка и около 300 немцев, но враг проник на позиции батареи, и тогда ее командир капитан Н. А. Воробьев вызвал на себя огонь соседних батарей. Этот эпизод стал переломным в отражении второго штурма – понеся огромные потери, не имея резервов и столкнувшись с ожесточенным сопротивлением советских войск, немецкое командование уже в середине суток приказало прекратить наступление.
В отражении штурма заметную роль сыграла поддержка, оказанная кораблями, береговой артиллерией и авиацией флота. Корабли выполнили 222 стрельбы, в ходе которых было выпущено 6293 снаряда калибром более 100 мм. Особенно интенсивная огневая поддержка оказывалась кораблями с 21 декабря, в связи с тем, что к этому времени противнику удалось уничтожить часть батарей сухопутной и береговой артиллерии, а сохранившиеся испытывали острую нехватку боеприпасов. С этого дня и до момента окончания штурма по противнику было выпущено 5659 снарядов, в том числе 332 305-мм линкором «Парижская Коммуна». Вместе с тем стоит отметить, что подавляющее большинство стрельб корабельной артиллерии было выполнено без корректировки по площади, что значительно снизило их эффективность.