Пока шли бои в районе Краснодара, Черноморская группа войск Закавказского фронта (5 февраля объединена с Северо-Кавказским фронтом) совместно с Черноморским флотом начала операцию по овладению Новороссийском. Ее замысел состоял в том, чтобы высадить морской и воздушный десант в районе Южной Озерейки (к юго-западу от города), а затем одновременными ударами 18-й десантной армии (18-й ДА) со стороны черноморского побережья и 47-й армии к востоку от Новороссийска окружить и уничтожить части 5-го армейского корпуса. После этого советские войска должны были продвигаться в общем направлении на Темрюк и Тамань с тем, чтобы отрезать остальным частям 17-й армии отход к портам и не дать ей переправится в Крым. При этом с целью дезориентации противника и распыления его сил непосредственно в окрестностях Новороссийска (в районе Станички) предполагалась высадка вспомогательного (или отвлекающего) морского десанта.
Тщательно отработанная на учениях и державшаяся в глубоком секрете операция должна была начаться в 01.00 4 февраля. Однако этот план не учитывал времени года и погодных условий. При погрузке войск на транспорты в Геленджике из-за шторма и сильного ветра произошла значительная задержка. Это привело к нервозности и отдаче противоречивых приказов. В 00.12 контр-адмирал Басистый, который командовал группой транспортов, попросил вице-адмирала Владимирского, командовавшего группой огневой поддержки (легкие крейсеры «Красный Крым», «Красный Кавказ» и лидер «Харьков»), отложить начало обстрела побережья в месте высадки. В итоге крупные корабли вынуждены были какое-то время курсировать вдоль побережья, рискуя при этом быть обнаруженными. Когда же об этом «самоуправстве» узнал командующий операцией вице-адмирал Октябрьский, он потребовал открыть огонь согласно первоначально утвержденному плану. Но этот приказ поступил на мостик Владимирского только спустя 45 минут. Между тем авиационная группа ВВС ЧФ, которая должна была нанести бомбовый удар по Глебовке и Васильевке, а затем высадить там воздушный десант, вообще не была поставлена в известность о задержке с подходом десантного флота. Как потом оказалось, это во многом и сыграло роковую роль в дальнейших событиях.
В 00.35 над Глебовкой были сброшены осветительные бомбы, после чего началась бомбардировка. Затем в небе появились купола парашютов, которые были быстро замечены немецкими и румынскими часовыми и наблюдателями. Сразу после этого во всех подразделениях 5-го армейского корпуса была объявлена тревога и разослано срочное сообщение о вероятности высадки морского десанта. И только в 02.30, то есть спустя два часа после авиаудара, море озарили вспышки выстрелов и начались взрывы снарядов в районе Южной Озерейки. За это время немцы успели поднять «в ружье» несколько рот пехоты и рассредоточить их вдоль побережья. По данным противника, стрельба крейсеров, силуэты которых были отчетливо видны с берега, продолжалась до 03.00, после чего обстрел продолжили только эсминцы (в действительности, лидер «Харьков»). В 03.30 огонь прекратился. По советским данным, «значительная часть огневых средств противника не была подавлена» и позже вступила в бой, а по немецким данным, по берегу было выпущено 2000 снарядов, но огневые точки и оборонительные позиции «были практически не повреждены». Сразу после конца артподготовки началась высадка морского десанта, которая тоже проходила не по плану. Вместо «подавленной» обороны десантников встретил шквальный огонь из всех видов оружия. А канонерские лодки, которые должны были поддерживать высадку, вовсе не смогли подойти к берегу. В итоге на сушу удалось высадить только первый эшелон в составе около 1500 человек с 16 американскими танками М-3А1 «Генерал Стюарт» (6 из них застряли на отмелях). Всего планировалось высадить 30 легких танков из состава 563-го отдельного танкового батальона, но остальные машины остались на трех десантных болиндерах, которые были потоплены артогнем противника. Остальные суда с десантниками вынуждены были отойти в море.
Высадившаяся группа 18-й десантной армии сумела с ходу захватить Южную Озерейку и прорвалась к Глебовке, расположенной в нескольких километрах к северу. В течение трех суток десант вел неравный бой, не получая подкреплений и боеприпасов и лишь ограниченную поддержку с воздуха.
А вот высадка отвлекающего десанта в районе Станички прошла куда более успешно. В 01.30 торпедные катера незаметно подошли к берегу и поставили дымовую завесу. После этого с них был открыт огонь по немецким позициям, поддержанный дальнобойной артиллерией, установленной на восточном берегу Цемесской бухты. Вскоре первая группа десантников во главе с майором Цезарем Куниковым высадилась на берег и захватила небольшой плацдарм. В 02.40 он подал сигнал на высадку второго и третьего эшелонов. Морпехи сумели захватить несколько зданий на южной окраине Станички и быстро организовать оборону.