7 июня 1942 года начался последний штурм немцами Севастополя. 17 июня они вышли на подступы к Сапун-горе, захватили форты «Сталин» и «Максим Горький-1» и подножие Мекензиевых высот. Теперь немецкая артиллерия могла обстреливать Северную бухту и практически парализовала подвоз подкреплений и боеприпасов. У зенитной артиллерии в Севастополе кончились снаряды, и Люфтваффе завоевали абсолютное господство в воздухе. Оборона города стала невозможна, но командование Севастопольского оборонительного района и Ставка вовремя не позаботились об эвакуации, до последнего рассчитывая удержать город. В ночь на 29 июня без артиллерийской подготовки немецкий десант на надувных лодках внезапно атаковал хорошо укрепленный Южный берег Севастопольской бухты и 30 июня захватил Мамаев курган. Только тогда защитники Севастополя, у которых закончились боеприпасы, получили разрешение на эвакуацию. Было вывезено самолетами и подводными лодками только около 2 тыс. человек, главным образом из высшего командного и политического состава, включая командующего Приморской армией Ивана Петрова и командующего СОР и Черноморским флотом Филиппа Октябрьского и других старших офицеров и политработников. Сталин, опасаясь, что его генералы попадут в плен и, еще, не дай бог, последуют примеру генерала А.А. Власова, в первую очередь стремился эвакуировать их из окружения. Остальные защитники Севастополя остались без командования и практически были брошены на произвол судьбы. 1 июля организованное сопротивление прекратилось, но отдельные разрозненные группы красноармейцев и моряков продолжали сопротивление до 4 июля, тщетно надеясь, что за ними придут корабли. Немцы захватили 100 тыс. пленных, 622 орудий, 26 танков и 141 самолет. В ходе обороны Севастополя Черноморский флот также потерял, главным образом потопленными с воздуха, крейсер «Червона Украина», 4 эскадренных миноносца, 4 крупных транспорта, подводные лодки С-32 и Щ-214.
При обороне Севастополя, вопреки распространенному мнению, Отдельная Приморская армия сковывала равные по численности силы немцев и румын, которые, однако, в последние недели имели полное господство в воздухе и подавляющий перевес в обеспечении боеприпасами. Несмотря на советское господство на море, снабжение Севастополя, а потом и эвакуация его защитников были парализованы с помощью авиации. Основная задержка со взятием Севастополя была связана с необходимостью ликвидировать группировку советских войск на Керченском полуострове. Гитлер не считал отвлечение 11-й армии на осаду Севастополя критически важным обстоятельством для реализации своих планов на южном крыле Восточного фронта. Поэтому после взятия Севастополя основная часть 11-й армии и осадная артиллерия были переброшены под Ленинград, чтобы эти войска, имевшие опыт штурма укрепленных городов, попытались взять советскую северную столицу.
