В ночь на 10 сентября корабли десанта вышли из Геленджика. В 2:44 10 сентября началась артиллерийская подготовка и авиационные удары по вражеской обороне. В 2:45 катера группы прорыва атаковали торпедами огневые точки противника на молах (выпущено 24 торпеды, на моле и берегу уничтожено 19 дотов и дзотов, ещё до 10 получили повреждения) и боно-сетевые заграждения у входа в бухту, они же высадили на молы штурмовые группы. Путь в бухту по узкому и простреливаемому проходу был открыт. Торпедные катера группы атаки берега атаковали торпедами огневые точки на побережье бухты. В 2:56 в порт ворвались торпедные катера группы атаки порта и атаковали торпедами причалы и места высадки. С 3 часов в порт стали врываться торпедные и сторожевые катера, мотоботы и мотобаркасы с частями первого эшелона десанта, высадка которого производилась до 5 часов утра.
Все эти действия производились под сильнейшим артиллерийско-миномётным и пулемётным огнём врага. Катера маневрировали среди сплошных столбов воды от разрывов снарядов, в небе одновременно находились сотни осветительных немецких ракет. Многие корабли получили попадания. Поняв, что началась десантная операция в порт, противник стал спешно стягивать к нему силы, усилил артиллерию, а с рассветом начала активно действовать его авиация. Немцам удалось сорвать высадку второго эшелона десанта (из него удалось высадить только 370 человек). Тем не менее, были созданы два плацдарма: в порту (высажено свыше 800 человек из 393-го батальона морской пехоты) и в северо-восточной части бухты у цементного завода «Красный Октябрь» (1247 бойцов из 1339-го стрелкового полка), закрепившись на котором десантники отражали непрерывные атаки врага. Ещё несколько групп десантников из 255-й бригады морской пехоты были высажены в южной части порта, но поскольку ввиду разобщенности сил им грозило полное уничтожение, они с боем прорвались на позиции советских войск на Малой земле. Бои на плацдармах шли непрерывно, отличались крайним ожесточением, изобилуя рукопашными схватками. Личный состав проявлял массовый героизм. В этот день артиллерия противника потопила 8 советских катеров и 5 десантных ботов.
Несмотря на частичный срыв врагом первоначального плана операции (вместо единого плацдарма было создано два небольших и разобщённых), советское командование решило наращивать усилия в десантной операции. Такое решение было вызвано тем, что противник чрезвычайно болезненно отреагировал на неё, бросив в бой значительное число резервов и даже снимая войска с других участков фронта. В ночь на 11 сентября началась высадка второго эшелона десанта, несмотря на сильнейший огонь противника (потоплены 7 катеров). В ночном бою был полностью отбит у врага цементный завод «Пролетарий» — сильнейший узел обороны на побережье. Также десантникам удалось значительно продвинуться от цементного завода «Красный Октябрь» к поселку Мефодиевский. Десантные части ворвались непосредственно в город и завязали уличные бои. Советская авиация завоевала господство в воздухе и активно поддерживала действия наземных войск.