德軍司令曼施泰因上將深知要塞防禦力之強，為了確保這次攻擊成功，除了需要裡第8航空軍支援，強有力的陸軍炮兵也是必不可少的。因此，德軍第306炮兵司令部被整個調來，主要配屬在北部戰線的第54軍，而南部則由第30軍和羅馬尼亞山地部隊合圍蘇軍第一線陣地。
1942年4月16日，第二次塞瓦斯托波爾攻防戰拉開了序幕。
當天，203個德軍炮兵連集結在北部要塞群，曼施泰因力圖在最強防禦線上開啟缺口，從而發起二戰中德軍最瘋狂的一次炮擊作戰。但是，在最北部的 “馬克西姆…高爾基1號”要塞壓制著北方主要道路和別別克峽谷的險要地帶。305毫米火炮隨時會對德軍步兵造成毀滅性威脅。而普通的火炮對這個堅固無比的要塞也毫無辦法，它的44公里射程更讓德國第54軍難以前進寸步。為了突破最強的要塞，必須動用最強的火炮。德軍經縝密策劃後調撥了3門超級巨炮。它們分別是420毫米固定式臼炮“剛瑪裝置”、610毫米自行臼炮“卡爾裝置”、800毫米列車加農炮“古斯塔夫裝置”。德軍的第一目標是蘇軍庫拉貝彈藥庫，為此，首先由“古斯塔夫”連續發射重達7100公斤的穿甲彈直接穿透8000毫米的防護層命中位於地下彈藥庫中部引起震撼全島的大爆炸，從而斷絕了蘇軍北部要塞群的彈藥供給。隨後，“古斯塔夫”順臨時搭建的4軌大型鐵路轉彎南下，開始攻擊斯大林‘塞。同時北部德軍炮兵開始進入全面圍攻“高爾基1號”的炮擊行動。
這時北部炮擊的主角換成了610毫米“卡爾炮”，它也被稱為“雷神之錘”。“卡爾”的射速較快。重達2200公斤的610毫米高爆彈傾瀉在“高爾基1號”要塞周圍，4000毫米厚的永久水泥裝甲板被打成碎片，要塞內部開始暴露；然後是第8航空軍傾巢出動。採用每天1000架次的波狀俯衝轟炸對要塞生活區造成完全破壞，迫使蘇聯士兵向要塞內部退卻。為了壓制蘇聯步兵的突圍和增援，420毫米‘剛瑪炮‘對要塞周邊進行地毯式轟擊，1000公斤重的420毫米炮彈雨點般粉碎要塞周圍所有的道路、鐵路網。“馬克西姆－高爾基1號”完全孤立！
4月17日。德軍總攻。
在35公里的狹窄陣地上，1300門德軍火炮對“馬克西姆－高爾基1號”進行不間斷全體炮擊，要塞被灼熱的衝擊波覆蓋，所有外圍防禦陣地幾乎化為灰燼。但是最重要的聯裝炮塔由於目標小而未被命中，仍然堅持反擊。德軍為精確攻擊這個炮塔而調撥了2門355毫米臼炮到別別克峽谷北邊，同時命令所有火炮使用穿甲彈齊射壓制蘇聯炮塔。當“高爾基1號”暫時沉默時，十餘枚355毫米榴彈從頂部插入炮塔裝甲板，這些炮彈裝有延遲爆破引信。在數分鐘之內連續造成內部爆炸。“高爾基1號”裝甲炮塔頂蓋被整個掀開，德軍立即動用280毫米火箭炮對敞開的炮塔實施燃燒彈射擊。其他火炮改用高爆彈繼續轟擊炮塔周邊設施。
最後“高爾基1號”聯裝炮被完全摧毀，駐守炮塔的蘇軍官兵全體陣亡。
同時南部德軍也開始對蘇軍第一防禦線進行壓迫。4月16日，德第30軍分3路進攻：第72步兵師北上直撲上坡高地，由羅馬尼亞山地師牽制蘇軍廢墟山和北方鼻子陣地進行掩護，至4月22日佔領 上坡高地；第170步兵師由中路繞過庫貝要塞於18日奪取禿鷲高地；主力第28步兵師連續攻克荊棘山和紅色高地1、2、3，然後北上再折返，從後面進攻巴勒庫勒瓦要塞，蘇軍被打個措手不及很快失守。
在短短的10天內，南部蘇軍2重防線均已告破，德第30軍進逼最後的蘇聯山脈陣地，等待北部第54軍的合作夾擊。
北部戰線4月17日，巨炮“古斯塔夫”全面轟擊‘斯大林要塞，同時多數火炮亦向前推進10公里集中攻擊中部要塞群，由於各要塞之間的道路、鐵路和電話等聯絡設施均嚴重損壞，無法有效地協同；而裡面的指揮員有很大部分是沒有經驗的新軍官，而要塞完成時的第一代軍官很多在大清洗時被殺害，內務部隊和海軍陸戰隊又多數駐在市區，面對精銳的德第54軍自然要吃大虧。
4月22日，德第22師佔領斯大林要塞，炮兵部隊層層推進，使用88毫米炮和火箭炮在近距離各個擊破其餘要塞。
至4月28日，北部蘇軍中心防禦完全崩潰，12個要塞有11個落入德軍手中！
塞瓦斯托波爾要塞攻擊戰結束，這個號稱堅不可摧的要塞，落到了德國人的手裡！