Окончание военных действий в Польше позволило РККА сосредоточить против войск П. Н. Врангеля основные силы. Уже в сентябре 1920 г. советские войска превосходили противника в пехоте и в общей численности войск. 21 сентября 1920 г. был образован Южный фронт (командующий М. В. Фрунзе, члены РВС С. И. Гусев, Бела Кун). Подготовка к общему наступлению велась в условиях, когда противник предпринял новое наступление на Донбасс. Врангелевские войска захватили Александровск, Мариуполь, но прорваться на Донбасс не смогли. 8 октября войска П. Н. Врангеля предприняли попытку переноса военных действий на Правобережную Украину, завязав бои за Каховку, где им противостояли части В. К. Блюхера. Отбив танковые атаки противника, советские части 15 октября перешли в контрнаступление, одержав убедительную победу.
Истощение последних резервов П. Н. Врангеля в осенних боях дополнялось возрастающим преимуществом советских войск, усиленных частями, прибывшими из Польши. К началу решающего контрнаступления 16 октября 1920 г. части РККА превосходили противника по пехоте более чем в четыре раза, а по коннице — почти в три раза. В результате армия Врангеля в Северной Таврии понесла жестокое поражение: только пленных было захвачено около 20 тыс. человек. Задача состояла теперь в освобождении Крыма с его мощными оборонительными рубежами на Перекопском и Чонгарском перешейках. Особенно сильно был укреплен Перекопский перешеек, где главная линия обороны проходила по Турецкому валу высотой 8 м, а перед валом находился ров шириной до 20 м и глубиной 10 м, а также проволочные заграждения в три ряда. Подступы охранялись при помощи 70 орудий и 150 пулеметов. Южнее у села Юшунь проходила резервная, также сильно укрепленная, вторая линия обороны.
Штурм крымских укреплений начался 7 ноября 1920 г. одновременно с двух сторон: с фронта, в лоб перекопским позициям (части В. К. Блюхера и махновские отряды), и во фланг врангелевским укреплениям через Сиваш. 9 ноября 1920 г. советские войска с четвертой попытки взяли Турецкий вал, при этом большую роль сыграло отвлечение врангелевских резервов на Литовский полуостров, который после переправы через Сиваш 8 ноября захватили советские части.
Попытки организовать сопротивление наступающим войскам РККА на Юшуньских позициях оказались безрезультатными из-за прорыва 11 ноября советскими войсками линий обороны на Чонгарском перешейке и выхода их в тыл противника. 13 ноября части 1-й Конной армии освободили Симферополь, а 15 ноября — Севастополь; к 20-м числам весь Крым стал советским. Общая численность убитых и раненых при штурме перешейков составила не менее 10 тыс. человек.
Ожесточенное сопротивление врангелевских войск вызвало ответную реакцию. После освобождения Крыма было расстреляно от 8 до 12 тыс. человек, принадлежавших побежденной стороне. Большая же часть врангелевских войск и членов их семей в количестве 145 693 человек была эвакуирована на 126 судах незадолго до этого. Последний корабль, линкор «Корнилов», покинул Севастополь 14 ноября в 18 часов. На его борту находился верховный главнокомандующий белого движения П. Н. Врангель.