两军兵力对比
1941年9月底前，掩护顿巴斯接近地的是西南方面军(司令为苏联元帅铁木辛哥)所属第6集团军，南方面军(司令为德米特里·伊万诺维奇·里亚贝舍夫中将，10月5日起为雅科夫·季莫费耶维奇·切列维琴科上将)所属第12、第18、第9集团军，共计24个步兵师，3个骑兵师，3个坦克旅。在此方向进攻的法西斯德军“南方”集团军群(司令为龙德施泰特元帅)辖野战第17集团军、坦克第1集群、野战第11集团军一部、罗马尼亚第3集团军主力，计有18个步兵师、3个坦克师、10个旅。敌人有生力量和航空兵比苏军多1倍，火炮和追击炮多2倍。
战争过程
法西斯德军统帅部的企图是，以坦克第1集群由第聂伯罗彼得罗夫斯克以北地域，以德军第11集团军、罗马尼亚第3集团军主力由塔夫里亚以北地域，分别向奥西片科(别尔江斯克)总方向实施向心突击，在梅利托波尔东北围歼南方面军。尔后，坦克第1集群应向罗斯托夫进攻，从南面迂回顿巴斯。第17集团军的任务，是从西北面，即由克拉斯诺格勒地域沿北顿涅茨河右岸进攻顿巴斯。第11集团军和罗马尼亚第3集团军各一部预定攻占克里木半岛。为了达成既定目的，敌人在克拉斯诺格勒地域和新莫斯科夫斯克地域西南方面军和南方面军接合部建立了强大的突击集团。几乎整个坦克第1集群都集中在新莫斯科夫斯克地域50公里正面上。9月29日，敌人转入进攻。坦克第1集群(10月6日改称坦克第1集团军)各师10月4日在第12、第18集团军接合部突入后，于10月7日在奥西片科以北地域与由梅利托波尔地域进攻的德军第11集团军机械化师会合，合围了第18、第9集团军各一部。第18集团军司令A.K.斯米尔诺夫中将从退却各师中组建一个军队集群，并亲自指挥该集群战斗。该集群在奥西片科西北地域被完全合围，一直奋战到10月10日。
斯米尔诺夫中将在一次战斗中阵亡。德军第17集团军于10月6日发起的进攻，尽管该集团军的兵力占很大优势，但仍被第6集团军阻住。在4天的战斗中，敌军在此前进了25—30公里。至10月6日日终前，第12集团军在巴甫洛格勒、瓦西里科夫卡、加夫里洛夫卡一线组织了防御，而第.18、第9集团军穿过敌不甚绵亘的正面，分别退至斯大林诺(顿涅茨克)、塔甘罗格地域。同日，遵照大本营的指示，为掩护罗斯托夫接近地，建立了塔甘罗格战斗地段，辖3个步兵师，任务是10月13日前在乌斯片斯卡亚到塔甘罗格间沿米乌斯河东岸组织防御。10月14日，南方面军(第9集团军和塔甘罗格战斗地段)对敌实施反突击，并在一些方向迫敌先遣部队后退10—15公里。但是在德军坦克第1集团军主力到达以后，苏军再次被迫退后。鉴于当时出现的情况，大本营通过10月15日训令命令南方面军从10月17日开始退至红利曼、戈尔洛夫卡、塔甘罗格一线，10月30日前完成退却，并通过缩短防线至少抽出3个步兵师编入预备队。同时，在北高加索军区组建了独立第56集团军，用以防守罗斯托夫。南方面军执行大本营的命令，以右翼坚守红利曼、杰巴利采沃一线，左翼(第18、第9集团军)在敌优势兵力压迫下，于1941年11月4日日终前退至大本营指定地区以东30—35公里，即杰巴利采沃、红卢奇、大克列平斯卡亚、哈普雷一线。
敌军得以前出罗斯托夫接近地，并占领了顿巴斯西南部。但是，法西斯德军统帅部未能达到围歼南方面军这一主要战役目的。坦克第1集团军向东冒进，远离其步兵兵团，处于不利战役态势，为尔后苏军统帅部实施罗斯托夫进攻战役(1941)时所利用。
战役的后果
顿巴斯-罗斯托夫防御战役 1941年9月29日-11月16日
参战兵力：苏联：第6，9，12，18集团军，54.16万人
德国：第17、11集团军、装甲第1集团军、罗马尼亚第3集团军
苏军战史称歼敌20万人，击毁敌坦克700辆，火炮370门
苏军纯减员143313人 ，伤17263人，损失坦克101辆，火炮3646门，飞机246架
德军战史称苏军被俘10.6万人，缴获坦克212辆，火炮766门。顿巴斯激战结果，法西斯德军遭到重大损失。苏军在防御中表现了英雄主义和顽强精神，在此段战线牵制了敌人庞大兵力。