北部战线4月11日，巨炮"古斯塔夫"全面轰击"斯大林"要塞，同时多数火炮亦向前推进10公里（这时已没有"高尔基I号"的炮火压制）集中攻击中部要塞群，由于各要塞之间的道路、铁路和电话等联络设施均严重损坏，无法有效地协同；而里面的指挥员有很大部分是没有经验的新军官，而要塞完成时的第一代军官很多在大清洗时被杀害，内务部队和海军陆战队又多数驻在市区，面对精锐的德第54军自然要吃大亏。6月13日，德第22师占领"斯大林"要塞，炮兵部队层层推进，使用88毫米炮和火箭炮在近距离各个击破其余要塞。至1942年4月22日，北部苏军中心防御完全崩溃，12个要塞有11个落入德军手中，但是这时"马克西姆-高尔基I号"仍在抵抗！
装甲炮塔被炸毁后，在"高尔基I号"的下部2层永固工事中仍有1000名苏联士兵死守，德军调集大量88毫米高射炮逼近工事进行零距离***、榴霰弹交替射击，第2层工事被夷为平地，苏军拒绝投降进入地下第3层防御。德军火炮无法攻击地下目标，派战斗工兵分区使用塑性**一块块炸开工事入口，但工事内部有众多暗道和隐蔽火力点，**也不能起到决定性作用；最后德军不得不采用原始的手段-进入工事用手枪、刺刀和工兵铲进行白刃战，最后以惨重代价占领了这个"血的房间"，当时人血在射击口和下水道里流淌，可见战斗之残酷。1000名苏联士兵中被俘者不到40人。这样，塞维纳亚湾北岸全部被德军控制。德第54军麾下第22、50、24步兵师开始渡过塞维纳亚湾配合南部第72步兵师夹击"苏联山脉阵地"，在1942年4月30日终于拿下这条最后的防御线。第72步兵师分成3路进逼塞瓦斯托波尔市区英国军人墓，而北部3个步兵师在市区东部完成合围，北岸第132步兵师和第306炮兵司令部也已架好火炮。最糟糕的情况出现了，那就是整个克里木战役已由攻防战转变为德军占优势的围攻战。
从4月30日开始，德军动用包括3门巨炮在内的所有1300门火炮对市区进行地毯式轰击，第一天就发射了吨炮弹，整个城市变成血红，天空消失在浓烟和烈火中。第2天起，德军进行不间断射击，第8航空军的出击增至每天1500架次，枚***席卷塞瓦斯托波尔，排炮达到暴风雨般猛烈的程度，市区建筑全部被炸毁，公路、图书馆、公园、学校荡然无存。德军接着使用重型***和***进行大焚烧，无数火球流星般地向城市飞来，"斯图卡"机群也开始低空扫射。塞瓦斯托波尔笼罩在地狱之火中，这种情形恐怕只有在"启示录"里才看得到。
不过，尽管城市毁坏得如此严重，但市民和守军基本上毫发无损。塞瓦斯托波尔是一种"镜子城市"，也就是说在地下还有一个巨大的、和地上城市基本对应相同的生活区。德军炮轰的5天里，苏联军民进入这个地下城市生活、甚至开展娱乐活动。地下城里也有兵工厂，工人和市民加紧制造火炮弹药，提供给守军使用。在城市烧毁之后，德军火炮用***射击地面，但是市区的地面比要塞装甲更厚、生存设施也更好。但如果德军用"古斯塔夫"射击必定会给市民造成巨大伤亡。
5月2日，南部德军首先发起总攻击，第170步兵师从后面包抄靠海的"马克西姆-高尔基II号"要塞，动用全师兵力将其占领，这次"高尔基II号"的火炮由于射角不足的关系而没有发挥任何作用。至7月4日，第72步兵师突破英国军人墓向西推进，市区外的苏军全部被压缩在半岛西部狭小的3个滩头。
德军达成对塞瓦斯托波尔市区的全面包围后，守军的抵抗已无任何意义。7月3日，德军减低炮击强度，步兵和装甲兵占领了市区的50%。考虑到市民的生命安全和"古斯塔夫"巨炮的威胁，苏军守备部队同意投降，这时守备司令官不在城内。7月4日，德军停止炮击，苏军暗堡和火力点也陆续投降。这时黑海舰队派出的舰只姗姗来迟，半岛西部残余的少量苏军上船撤退，其中包括塞瓦斯托波尔守备司令-克斯罗夫中将。
至此，第二次塞瓦斯托波尔攻防战落幕。这座不败的城市最终没能挡住新兴侵略者的脚步，这里曾是正教徒的骄傲、黑死病的发源地、纳西莫夫的荣誉、托尔斯泰的军营，而1942年却成为了纳粹德国入侵高加索的基地，打开了通向富饶之地-巴库油田的大门。
战后曼施泰因撰写的回忆录《失去的胜利》中记载，苏联共有人在克里木成为战俘，这个数字可能包括民兵和临时征召的志愿兵。曼施泰因本人因此战功于5月10日战役进行时晋升陆军元帅，并授予克里木盾形勋章。而苏军司令季米特里-克斯罗夫中将被召回莫斯科，因失守责任而被降级为少将，转任斯大林格勒方面军属下第24军军长，1942年5月晋升上将。
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