1942年4月17日，希特勒派出德军7个步兵师和2个山地师全面包围要塞，发起第一次塞瓦斯托波尔攻防战。德军绕过"马克西姆-高尔基I号"，从要塞群西侧进攻"斯大林"要塞，但是毫无战果，由于2天前苏联海军陆战队在刻赤半岛登陆迅速粉碎德军包围圈，第一次攻防战以德军全面失败收场，而身穿黑色水兵服的苏联海军陆战队也获得了"黑色死亡"称号。然而由于克里木仍威胁德国南方战线，德军需不惜一切代价拔掉这颗钉子。因此从1942年5月8日开始出动第11军（1个装甲师和4个步兵师）和罗马尼亚山地部队开始对刻赤半岛的苏军发起反击。由于德第8航空军有效的协同作战，德军于5月16日再次占领刻赤半岛，在这次"猎雁作战"中苏军共有26个师被歼灭、人被俘，塞瓦斯托波尔的门户再一次大开。
军司令曼施泰因上将深知要塞防御力之强，为了确保这次攻击成功，除了需要里希特霍芬上将的第8航空军支援，强有力的陆军炮兵也是必不可少的。因此，德军第306炮兵司令部被整个调来，主要配属在北部战线的第54军，而南部则由第30军和罗马尼亚山地部队合围苏军第一线阵地。
1942年4月19日，第二次塞瓦斯托波尔攻防战拉开了序幕。当天，203个德军炮兵连集结在北部要塞群，曼施泰因力图在最强防御线上打开缺口，从而发起二战中德军最疯狂的一次炮击作战。但是，在最北部的"马克西姆-高尔基I号"要塞压制着北方主要道路和别别克峡谷的险要地带，305毫米火炮随时会对德军步兵造成毁灭性威胁。而普通的火炮对这个坚固无比的要塞也毫无办法，它的44公里射程更让德国第54军难以前进寸步。为了突破最强的要塞，必须动用最强的火炮。德军经缜密策划后调拨了3门超级巨炮，它们分别是：420毫米固定式臼炮"刚玛设备"、610毫米自行臼炮"卡尔设备"、800毫米列车加农炮"古斯塔夫设备"（如左图，也称为"多拉炮"而它的***射程是38公里所以亦必须在"高尔基I号"的射程之内冒险攻击）。德军的第一目标是苏军"库拉贝"弹药库，为此，首先由"古斯塔夫"连续发射重达7100公斤的***直接穿透8000毫米的防护层命中位于地下弹药库中部引起震撼全岛的大爆炸，从而断绝了苏军北部要塞群的弹药供给。随后，"古斯塔夫"顺临时搭建的4轨大型铁路转弯南下，开始攻击"斯大林"要塞。同时北部德军炮兵开始进入全面围攻"高尔基I号"的炮击行动。
这时北部炮击的主角换成了610毫米"卡尔炮"，它也被称为"雷神之锤"。"卡尔"的射速较快，重达2200公斤的610毫米高爆弹倾泻在"高尔基I号"要塞周围，4000毫米厚的永久水泥装甲板被打成碎片，要塞内部开始暴露；然后是第8航空军倾巢出动，采用每天1000架次的波状俯冲轰炸对要塞生活区造成完全破坏，迫使苏联士兵向要塞内部退却。为了压制苏联步兵的突围和增援，420毫米"刚玛炮"对要塞周边进行地毯式轰击，1000公斤重的420毫米炮弹雨点般粉碎要塞周围所有的道路、铁路网，"马克西姆-高尔基I号"完全孤立！
1942年4月20日，德军总攻。在35公里的狭窄阵地上，1300门德军火炮对"马克西姆-高尔基I号"进行不间断全体炮击，要塞被灼热的冲击波覆盖，所有外围防御阵地几乎化为灰烬。但是最重要的联装炮塔由于目标小而未被命中，仍然坚持反击。德军为精确攻击这个炮塔而调拨了2门355毫米臼炮到别别克峡谷北边，同时命令所有火炮使用***齐射压制苏联炮塔。当"高尔基I号"暂时沉默时，十余枚355毫米***（重1000公斤）从顶部插入炮塔装甲板，这些炮弹装有延迟爆破引信，在数分钟之内连续造成内部爆炸。"高尔基I号"装甲炮塔顶盖被整个掀开，德军立即动用280毫米火箭炮对敞开的炮塔实施***射击，其他火炮改用高爆弹继续轰击炮塔周边设施。
克里木半岛
最后"高尔基I号"联装炮被完全摧毁，驻守炮塔的苏军官兵全体阵亡。同时南部德军也开始对苏军第一防御线进行压迫。6月11日，德第30军分3路进攻：第72步兵师北上直扑"上坡高地"，由罗马尼亚山地师牵制苏军"废墟山"和"北方鼻子"阵地进行掩护，至6月22日占领"上坡高地"；第170步兵师由中路绕过"库贝"要塞于18日夺取"秃鹫高地"；主力第28步兵师连续攻克"荆棘山"和"红色高地1、2、3"，然后北上再折返，从后面进攻"巴勒库勒瓦"要塞，苏军被打个措手不及很快失守。在短短的10天内，南部苏军2重防线均已告破，德第30军进逼最后的"苏联山脉阵地"，等待北部第54军的合作夹击。
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。