В 8 часов утра 17 ноября основные силы 1-й танковой армии (3 танковые дивизии, 2 моторизованные дивизии) возобновили наступление на Ростов. Так совпало, что через 1 час 37-я армия Южного фронта и войска с флангов 18-й и 9-й армий перешли в наступление в общем направлении на Большекрепинскую. В первый день наступления войска 37-й армии, разгромив передовые части противника, продвинулись на 15-18 км. В течение следующих четырех дней, встречая сильное сопротивление немецких мотоциклов и части сил танковых дивизий, которые перешли в контратаки, продвинулись на 15-20 км и 21 ноября вышли на рубеж Цимлянка, Миллерово, Аграфеновка. Войска 18-я армии встретили упорное сопротивление и не увенчались успех до 21 ноября, но они прикованы силы 49-й Горного корпуса. Медленно продвигались и части 9-й армии.
Из-за неблагоприятных метеорологических условий советская авиация фронта до 20 ноября действовала эпизодически и неэффективно, однако затем активизировала боевую деятельность, сосредоточив усилия на уничтожении противника в наиболее сильных опорных пунктах.
Спешка в организации наступления и существенные недостатки в действиях войск (слабые маневры, преобладание стереотипных тактических решений, неработающее взаимодействие пехоты с танками, артиллерией и авиацией) затрудняли ход боя. Ударная группа войск Южного фронта не прорвала немецкую оборону, а отбросила ее. В первые дни операции немецкое командование было убеждено, что оно сможет быстро истощить советские войска и определить место наступления, как это часто делалось в предыдущие месяцы войны. Поэтому корпус Клейста продолжил наступление и 21 ноября овладел Ростовом-на-Дону, отбросив войска 56-й отдельной армии на юг, на реку Дон, и на восток, в направлении Новочеркасска. Но успех был недолгим: угроза флангу и тылу 37-й армии продолжала нарастать. О дальнейшем развитии успеха 1-й немецкой танковой армии не могло быть и речи: все силы были вовлечены в бой, они несли большие потери, наступать было не на что. Уже в день взятия Ростова Клейст был вынужден направить свои первые части из Ростова обратно на север, для организации обороны на правом берегу реки Тузлов.
Маршал Тимошенко после падения Ростова не только не ослабил натиск, но и ещё более настойчиво продвигал свои войска вперёд: за 22 и 23 ноября 37-я армия прошла с боями ещё до 25 км и вышла на рубеж Ново-Павловка, Лысогорка, река Тузлов. Теперь угроза отрезать армию Клейста в Ростове от главных сил группы армий «Юг» и окружить её стала реальной.
Второй этап наступления
На дальнейшее развитие событий негативно повлияло крайне неудачное решение маршала Тимошенко. Он решил нанести главный удар основных сил 1-й танковой армии по Ростову (чтобы ускорить освобождение города), пока штаб призывал к атаке на Таганрог, и он должен был выйти к морю из Азовского разреза. Для реализации этого решения Южный фронт потратил 3 дня на перегруппировку войск и передислокацию основных сил 37-й армии (4 стрелковые дивизии, 3 танковые бригады) на исходный рубеж Стоянов, Генеральное и 2 кавалерийские дивизии в район Чистополя. Кроме того, к границе реки Тузлов выдвинулась 9-я армия, усиленная кавалерийско-стрелковой дивизией и танковой бригадой. Южный фронт не окружал всю 1-ю немецкую танковую армию, а создавал такую угрозу только тем своим войскам, которые действовали непосредственно в Ростовской области (а это всего две моторизованные дивизии). Советская разведка не признала начала вывода танковых дивизий противника из Ростова.
27 ноября советские войска возобновили наступление по сходящимся направлениям: 37-я армия наступала с линии Стоянова, Генеральное до Султан-Сали, западной окраины Ростова, 9-я армия с линии Константипонка, Буденный до Больших Сали, Ростов, часть своих войск от Новочеркасска до Ростова. 56-я армия (23 ноября входила в состав Южного фронта) также атаковала тремя группами - от района Красный двор до восточных окраин Ростова; от Батайской области до южной окраины Ростова; самая сильная группа - от Приазовья до западных окраин Ростова и Чалтыря. Оставалось всего 2 кавалерийские дивизии для решения задачи по перехвату путей отхода Клейста на запад.
Сразу осознав масштабы угрозы, Клейст, не дожидаясь разрешения Рунштедта и Гитлера, срочно начал принимать меры по спасению своей армии. Он перебросил свои две танковые дивизии на встречу с 37-й армией на рубеже реки Тузлов, перебросил туда 1-ю словацкую моторизованную дивизию (ранее она служила для защиты тыла и побережья Азовского моря), выделил силы прикрытия для к обороне Ростова и под прикрытием этих наиболее опасных участков стали отходить все остальные войска. 27 ноября первые части 56-й армии форсировали Дон по льду и штурмовали Ростов, где начались ожесточенные уличные бои. 29 ноября часть сил 37-й армии прорвала немецкую оборону и вошла в район севернее Султан-Салы, а 56-я армия захватила Чалтырь. В тот же день части 56-й и 9-й армий после трех дней уличных боев полностью освободили Ростов-на-Дону.
С 30 ноября по 2 декабря 1-я танковая армия, пользуясь преимуществом мобильности и прикрываясь арьергардом на промежуточных рубежах, отступила из Ростова на рубеже реки Миус, сорвав попытку оставшихся слабых сил 37-й дивизии. Армия продолжит наступление на Таганрог. Чтобы спасти его, командование Южной армии в спешном порядке перебросило сюда под Харьковом четыре дивизии. В этом направлении фронт стабилизировался; Советские войска не смогли прорвать этот движущийся рубеж из-за потерь и отсутствия припасов.