В состав десанта было выделено 533 краснофлотца под командованием капитан-лейтенанта Бузинова из 2-го полка морской пехоты, три группы разведчиков штаба Черноморского флота, которыми командовали капитан Топчиев, капитан-лейтенант Литовчук и старший лейтенант Панасенко. На усиление морякам был придан сводный отряд пограничников и милиционеров под командой капитана милиции Березкина. Общая численность десанта достигла 740 человек. Для усиления действий пехоты использовались три легких артиллерийских тягача Т-20 «Комсомолец» с тремя 45-мм орудиями и два плавающих танка Т-37.
В качестве транспортных и поддерживающих морских средств были выделены тральщик «Взрыватель», морской буксир СП-14 и семь морских охотников (катеров) типа МО-IV — под общим командованием капитана 2-го ранга Буслаева. Отряд кораблей с десантом на борту вышел на Евпаторию без огней, соблюдая полную светомаскировку. Двигатели, переведенные на подводный выхлоп, практически не издавали шума.
В 2 часа 41 минуту 5 января отряд кораблей развернулся в две кильватерных колонны и в таком порядке направился к месту десантирования, прямиком к пристани. Немцы не сообразили, что происходит и поэтому не открыли огонь. Ровно в 3 часа четыре морских охотника одновременно ошвартовались у Хлебной и Товарной пристаней, разгрузились, и беспрепятственно отошли, заняв позиции на рейде. Следом к причалам подошла еще пара охотников. Они зажгли сигнальные огни, обозначив коридор для подхода и швартовки тральщика и буксира, а находившиеся на них десантники стали готовить сходни для выгрузки тяжелой техники. Седьмой катер все это время находился у входа в порт, координируя по радиосвязи действия кораблей и десанта.
Противник понял, что происходит неладное, только в момент, когда с тральщика начал движение по сходням последний тягач и артиллерийским орудием. Первой огонь открыла румынская береговая батарея, краснофлотские корабли дали ответный залп. После этого заговорили немецкие крупнокалиберные пулеметы. Штаб обороны Севастополя получил уведомление: «Высадку продолжаем под сильным артиллерийско-пулеметным огнем. Буслаев». В самом начале боя тральщик «Взрыватель» был незначительно поврежден осколками артиллерийских снарядов, тягач выгрузить на берег не удалось, он упал в воду вместе с пушкой. Погиб Буслаев, командование на себя принял полковой комиссар Бойко. Корабли отступили в море, близ берега остался только катер МО-041. Остальная группа кораблей развернулась в боевую линию в отдалении и открыла артиллерийский огонь по противнику.
Десант устремился в город. Ему оказали слабое сопротивление румынские кавалеристы и местная полиция, состоявшая из крымских татар. Основными очагами сопротивления были: здание гостиницы «Крым», где укрепился небольшой немецкий отряд, вооруженный пулеметами, и строение поликлиники санатория «Ударник», где располагалось отделение тайной полиции и контрразведки. Гестаповцы не помышляли о сдаче в плен, сопротивлялись с ожесточением обреченных их добивали уже в ходе рукопашной схватки.
Береговая батарея на мысе Карантинный была взята штурмом разведчиками капитан-лейтенанта Литовчука. Еще один артдивизион противника, развернутый у складов конторы «Заготзерно», был захвачен ротой старшего лейтенанта Шустова. Десант быстро овладел концлагерем, в котором немцы содержали военнопленных. Было освобождено более 500 бойцов и командиров РККА, около 200 из них влились в состав десанта. Тут же был сформирован дополнительный отряд, остальные пленные не смогли участвовать в бою из-за плохого физического состояния.
Подразделение бывших пленных приняло участие в штурме города. В их полосе наступления оказался немецкий военный госпиталь. Бойцы РККА, познавшие все прелести немецкого плена, резали раненых германцев и убивали их ударами прикладов, без единого выстрела, никого не щадя.
Отряд милиционеров и пограничников во главе с капитаном Березкиным взял штурмом управление городской полиции и жандармерии. Им в руки попали личные дела изменников, пожелавших служить оккупантам, списки полицейской агентуры и осведомителей. Все эта документация позже была переправлена в Севастополь по морю.
Легкие плавающие танки оказались малоэффективными в уличных боях, но все же способствовали общему успеху, уничтожив прожекторы, артиллерийских корректировщиков и румынский грузовой автомобиль перед тем, как были выведены из строя. Как бы то ни было, к рассвету 5 января Евпатория практически полностью была захвачена красным десантом. Штаб разместили в гостинице «Крым», вскоре к нему стали стекаться местные жители, бывшие бойцы истребительных батальонов и полка народного ополчения. Они пожелали присоединиться к десанту. Трофейного оружия было захвачено много. Таким образом численность десанта увеличилась почти втрое. Если бы командование Севастопольского особого укрепрайона направило подкрепление, бронетехнику и артиллерию в Евпаторию, смогло поддержать десант авиацией, возможно немцам пришлось бы отойти из западной части полуострова, но этого не произошло. На море начался 8—бальный шторм.
Тем временем немцы направили к Евпатории 105-й пехотный полк, снятый из-под Балаклавы, плюс к тому: 22-й разведывательный и 70-й саперный батальоны, три батареи 105-мм орудий. Для их поддержки с воздуха была определена 77-я бомбардировочная эскадрилья, базирующаяся под Саками.