战役开始前，苏军人数与德军相等，炮兵几乎多2倍(在主要突击方向)，航空兵多50%。但德军的坦克比苏军多1倍。战役由西南战区司令苏联元帅铁木辛哥负责总指挥。5日晨，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)首脑力图避免在罗斯托夫接近地进行持久战斗，打算以坦克第1集团军的深远包围机动，从北和东北经季亚科沃、沙赫特、新切尔卡斯克迂回罗斯托夫，并合围第9集团军和独立第56集团军。德军第17集团军一部和意大利远征军向伏罗希洛夫格勒实施进攻，以牵制南方面军其余兵力和保障坦克第1集团军战果。主要斗争在第9集团军右翼展开，敌人在此实施主要突击。
在这里，德军4个师，其中包括2个坦克师进攻苏军2个步兵师。第9集团军右翼各兵团依托季亚科沃地域内的防坦克支撑点，顺利击退了敌人的坦克冲击。进攻第一日，仅在步兵第186师地带内就击毁坦克29辆。11月6—7日，第9集团军部队实施了强大反冲击。方面军航空兵给了防御军队以巨大支援，对德军坦克集团实施突击，并从空中掩护地面军队。至11月11日前，德军楔入第9集团军防御30公里。但由于损失重大，“南方”集团军群首脑被迫放弃其最初企图。坦克第1集团军受领的任务是改变突击方向，从北实施进攻，以攻占罗斯托夫。至11月16日日终前，该集团军突击集团向南推进至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，开始了罗斯托夫进攻战役(1941)，在此役过程中也决定了罗斯托夫争夺战的结局。
11月17日，苏军开始进攻。同日，德军变更兵力部署后，也再度向罗斯托夫方向发起进攻。德军坦克第1集团军从北面向罗斯托夫实施了突击。起初，南方面军的进攻发展缓慢。由于天气不宜飞行，方面军航空兵在战役头3天未能对陆军部队进行必要的支援。第37集团军进展最大，4昼夜推进30—35公里。与此同时，德军利用坦克优势突向罗斯托夫，并于11月21日夺占该市。
独立第56集团军被迫退至顿河对岸和罗斯托夫以东。然而南方面军突击集团继续前进，于26日进抵图兹洛夫河地区，对夺取了罗斯托夫的敌军翼侧和后方造成现实威胁。坦克第1集团军被迫停止进攻，将其一部兵力从罗斯托夫北调，以便在图兹洛夫河右岸组织对第37、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日编入南方面军)，从西北和南向罗斯托夫转入进攻。德军在被合围的威胁下，开始将其军队撤出罗斯托夫。11月29日，第56、第9集团军部队在罗斯托夫民兵和游击队配合下，肃清了市内德军。苏军追击被击溃的敌人各师时，于12月2日前出至米乌斯河，在此被德军预有准备的防御所阻止。第12集团军在战役中起了重要作用，该集团军以顽强的防御迟滞了德军进攻，使其未能突向南方面军进攻军队的翼侧和后方。
在罗斯托夫战役中，苏军共毙伤德军2万余人，击毁和缴获德军坦克275辆、火炮470门，迫使德军西撤60-80公里。
罗斯托夫防御战役结果，敌人在罗斯托夫附近合围南方面军和突向高加索的计划被打破。在第9集团军地带巧妙组织对坦克的防御，苏军的坚定性和英雄主义精神，对取得战役胜利具有决定性意义。战役经验表明，组织良好的火力配系，首先是炮兵火力配系，以及保持军队在防御中的坚定性，能够顺利抗击敌人重兵坦克集团的突击。