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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64000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,120000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90000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。