彼得羅夫的具體計劃如下：
列謝利澤中將的第18集團軍（3個步兵師和4個步兵旅），以及黑海艦隊，由陸地和海上發起合同進攻，突向新羅西斯克灣（采梅斯灣），並對新羅西斯克港實施登陸。奪取新羅西斯克後，繼續向上巴坎斯基、阿納帕進攻，以瓦解“蔚藍色防線”南段。
為實現該計劃，第18集團軍司令建立了2個陸上突擊集群和1個登陸集群。
陸上東部集群，主要是第318步兵師（欠一個團，加強有第55近衛步兵師強擊支隊和8輛坦克，後來又加強了4輛SU——152）；任務是從圖阿普謝公路方麵實施進攻；陸上西部集群由“小地”出擊。包括第83海軍陸戰隊旅和第8近衛步兵旅；登陸集群包括：海軍陸戰隊第255旅、海軍陸戰隊獨立第393營、步兵第318師第1339團、內務人民委員部步兵第290團。總計6480人，裝備41門火炮、147門迫擊炮和53挺重機槍。
編成3個獨立支隊。上述人員中，全體據稱一半有過登陸戰經驗，海軍陸戰隊占4000人。每個士兵都攜帶了充足的彈藥和3天口糧。登陸指揮官為霍洛斯佳科夫海軍少將。他的正式職務是“新羅西斯克海軍基地司令”，而他的任務就是把自己的基地搶回來。
海軍為登陸提供了120艘戰艦和輔助船隻，以及28艘汽艇。但提供火力支援的隻有3艘驅逐艦。另有32艘魚雷艇負責用魚雷炸開防波堤。
海軍的炮火遠遠不能讓彼得羅夫滿意。他隻能盡量強化第18集團軍的陸上炮兵，包括調過去一個203毫米重型榴彈炮旅。進攻前夜，第18集團軍76毫米至203毫米的火炮迫擊炮總數達到800門，另有227門火箭炮。其中208門大炮用於直接支援登陸。
空軍第4集團軍和黑海艦隊，各出60和88架飛機。包括54架轟炸機、36架強擊機、58架戰鬥機。
奪取新羅西斯克的同時，北部和中部的蘇軍也不能閑著。第9集團軍應沿庫班河岸向庫爾昌斯卡亞、捷姆留克突擊；第56集團軍進攻格拉德科夫斯卡亞、戈斯塔加耶夫斯卡亞方向。彼得羅夫希望以此牽製德軍，使其無法馳援南部。同時切斷德軍向克裏木的撤退通道，並奪取舊庫班河渡口。
蘇聯人緊鑼密鼓地準備進攻。德國人也沒閑著。9月7日，他們開始著手撤退，並執行希特勒的破壞命令：“留給敵人的隻能是不能使用居住而且幾個月內不斷有地雷爆炸的荒野”。尤其是要破壞掉海軍基地新羅西斯克。
所謂沒有不透風的牆。9月9日，德軍的撤退命令傳到了彼得羅夫那裏。但蘇聯偵察機卻沒有發現德軍的實際撤退跡象。以此判斷，德軍一線部隊還堅守著原有陣地。
3、登陸與強攻
無論如何，彼得羅夫不打算拖延進攻。1943年9月9日，一個月光明亮的夜晚，滿載蘇軍的艦船由格連吉克出航。淩晨2時44分，蘇軍船隊抵達出發海域。幾乎同時（2時40分），凶猛的空襲、炮擊和魚雷艇突擊開始了。
低空而來的蘇軍機群掩蓋了艦艇的發動機聲，投下的炸彈和凶猛炮火引發了火災，濃煙遮住了港口，雖然給蘇軍的航行提供了掩護，卻也使他們難以辨別方位。德國人對炮擊反應很快，卻誤以為是蘇軍開始了陸上進攻，馬上動用40個炮兵和火箭炮連予以回擊。
乘此良機，蘇魚雷艇向防波堤和柵網打出魚雷。以此為掩護，2時50分，一批蘇聯快艇衝了過來，將衝鋒手送上防波堤。他們在幾分鍾內破壞了攔阻柵網，打出“航道開通”的燈光信號。
2時56分，看到信號的艦艇全速衝入港內。
反應過來的德軍以瘋狂炮火攔阻，不到80米的狹窄水域內飛舞著槍林彈雨！就在此時，威力驚人的魚雷再度向德軍飛來！隨著駭人的巨響，8個發射點被炸上了天，另有9個遭嚴重破壞。紅軍火炮也延伸向德軍縱深，阻斷了援兵的來路。
蘇聯士兵爬上了碼頭。首先上陸的是海軍陸戰隊獨立第393營。20分鍾內送上了800人和10門迫擊炮以及19挺重機槍。時間為10日淩晨3時許。
大股蘇軍的登陸比較不順。有些登陸點水太淺，艦船無法靠岸，登陸兵隻好該乘汽艇；搭載的船隻一部被擊沉，大部被擊傷。
幾乎與登陸同時，第18集團軍的兩個陸上集群也由新羅西斯克市以東及以南發起衝擊。猛攻一番後，雖然在個別地段切入德軍防線300-400米，卻被一些堅固的堡壘阻止。
德軍乘機派出援兵全力對付登陸部隊。德第101殲擊師的2個步兵團被調來實施反擊。港口方向的力量天平迅速倒向德國一方。經過血戰洗禮的蘇海軍陸軍隊第255旅彈藥耗盡，隻得在夜間逃入陸上西部集群陣地。但仍有大量紅軍士兵死守在登陸場內。
新羅西斯克之戰打得如此之慘，彼得羅夫也無法放棄，隻能堅持到底。他派來SU——152重自行火炮敲碎德軍堡壘，增派了第55近衛步兵師和第5近衛坦克旅（擁有KV重坦克）。一些新登陸兵也投入了戰鬥。
複雜地形上的戰鬥殘酷而艱苦。為讓坦克通過一條6米深的鴻溝，蘇聯工兵冒著附近山頭射來的彈雨，搬來石頭搭橋。這橋用了一天才建成，付出的代價估計也不輕微。但坦克投入戰鬥還是幫了前線士兵大忙。畢竟用步兵和無裝甲的大炮對付不斷噴射火焰的磚石建築，付出的代價太沉重了。
形勢開始對德國人不利。其部隊經過連日激戰，損失也頗大。第73步兵師第186團縮編為1個營，第170步兵團損失20%；第101殲擊師第228團損失40%，第16、18港口勤務隊幾乎被全殲。鑒於阻擊任務基本完成，德軍於9月15日撤出了新羅西斯克。
在一個陰雨連綿的黃昏，新羅西斯克市被奪回的消息傳到了蘇聯人那裏。9月16日近10時，蘇軍完成對新羅西斯克市和港口內殘敵的肅清。
紅旗飄揚在車站吊車的頂尖。
4、高加索會戰的終結
9月11日、14日，蘇第9集團軍和第56集團軍也轉入進攻。德第17集團軍則逐步後撤至塔曼半島各海港。為了攪亂德軍的部署，黑海艦隊和亞速海區艦隊又實施了一些敵後登陸。
但德國人的撤退工作依然很順利。如原防守新羅西斯克的第73步兵師，10月5日就被調到大陸上的梅利托波爾西南20公裏處。9月7日——10月9日，第17集團軍在34天內，利用海軍艦船和工兵車輛，向克裏木運送官兵239669人，傷員16311人。同時還掠走了27456名居民和74657匹牲畜。撤離的裝備包括：載重汽車21230輛，牽引車27741輛，1815門火炮，坦克強擊火炮74輛，作戰物資115477噸。當然，撤退中丟掉的東西也不少。如在庫班河以東就銷毀了4萬噸軍火。被紅軍繳獲的武器包括坦克32輛，火炮337門，火箭炮540門，迫擊炮229門。