После перегруппировки сил генерал Г. Гудериан организовал массированный штурм по всем правилам: 10-я танковая дивизия должна была наступать вдоль шоссе Чернавчицы — Брест, 20-я моторизованная — вдоль правого берега Буга, 3-я танковая дивизия — с восточной и южной стороны, завершив окружение крепости.
Германские дивизии обладали значительным перевесом в силах и средствах, что гарантировало им успех. При этом поляки ничего не могли противопоставить мощному огню немецкой артиллерии и бомбардировкам с воздуха, кроме прочности старых валов и казематов. Против 154 немецких танков имелось полтора десятка противотанковых ружей, против 260 орудий и минометов — 18 полевых орудий и 8 зениток.
Всю ночь немецкие орудия вели обстрел крепости. Поляки, в свою очередь, двумя группами добровольцев совершили вылазку в расположение противника. По докладу командира одной из групп, подпоручика Ежи Желиховского, им удалось уничтожить несколько вражеских танков и бронеавтомобилей.
Ранним утром 15 сентября после массированной артиллерийской и авиационной подготовки подразделения 10-й танковой и 20-й моторизованной дивизий пошли на штурм. Защитники крепости оказали упорное сопротивление. Бой, во многих местах переходивший в рукопашные схватки, продолжался весь день. Во время огневых налетов и воздушных бомбардировок защитники укреплений, оставив наблюдателей, уходили в казематы, когда наступала тишина — занимали окопы. Немецкое наступление захлебнулось на гребне крепостных валов. Генерал Г. Гудериан вновь перешел к систематическим артиллерийским и авиационным ударам, которые наносили невосполнимый урон защитникам крепости.
Раненых польских солдат относили в госпиталь, часть из них через Саперные ворота и Авиационный остров эвакуировали в Тересполь.
Около 10 часов утра 16 сентября штурмовые отряды 10-й танковой и 20-й мотодивизии силами двух пехотных батальонов при поддержке танков и артиллерии начали решительное наступление на линию польской обороны. Германская пехота поднялась на гребень валов, но атака вновь захлебнулась, так как солдаты не выполнили приказа наступать непосредственно за огневым валом артиллерии. Особенно ожесточенное сражение развернулось в районе Брестских ворот, где защищался маршевый батальон 82-го пехотного полка при поддержке нескольких орудий 49-го дивизиона легкой артиллерии.
Обеспокоенный генерал Г. Гудериан прибыл к месту событий, но и в его присутствии пехота не добилась успеха и отступила с тяжелыми потерями. Выстрелом польского снайпера был смертельно ранен адъютант командующего корпусом подполковник Браубах.
Но и положение защитников становилось безнадежным. Группировка «Брест» была на грани уничтожения, потери убитыми и ранеными составляли 40 процентов, заканчивались снаряды и гранаты, помощи не было. Горели казармы, большим разрушениям подвергся Белый дворец и здание Инженерного управления. Многие укрепления были превращены в руины. На отдельных участках немцам удалось зацепиться за крепостные валы и вынудить польские подразделения отступить в Цитадель. Генерал К. Плисовский, получивший осколочное ранение, к этому времени утратил связь с командованием в Пинске и не имел никакой информации о положении на фронте и общей ситуации в стране. Между тем Варшава уже была полностью блокирована. Группа армий «Юг» соединилась в районе Влодавы с группой армий «Север», замкнув кольцо окружения вокруг основных сил польской армии. Общее руководство военными действиями практически отсутствовало, польское правительство готовилось покинуть страну.
Всего этого в крепости не знали. Было известно лишь то, что в направлении Тересполя и Белой Подляски частей противника еще не было, а где-то между Бугом и Вислой отходила на юг 33-я польская пехотная дивизия. 3-я германская танковая дивизия, отрезав Брест с востока, приближалась к Влодаве, 2-я моторизованная дивизия наступала на Ковель. Около 17 часов 16 октября генерал К. Плисовский созвал совещание командиров участков обороны, на котором было принято решение: «Не видя возможности дальнейшего удержания крепости и оценивая, что уход из нее не нанесет вреда всей операции», покинуть Цитадель через еще свободный путь на Тересполь — Кодень.
Поздним вечером, когда огонь немецкой артиллерии стал менее интенсивным, из крепости через Саперные ворота вышли командование и штаб обороны, маршевые батальоны 34-го и 35-го полков, караульные батальоны, артиллеристы, рота связи, обоз и машины с ранеными. С наступлением ночи дорога на Тересполь была запружена отступавшими польскими частями. Прикрывать отход остались солдаты 82-го маршевого батальона и 2-я рота саперов подпоручика Казимира Гиаро. Саперы под общим руководством командира батальона должны были оставить позиции последними, уничтожив за собой мосты и заминировав дорогу.
Немцы в ночь с 16 на 17 сентября перебросили на левый берег Буга 76-й пехотный полк 20-й мотодивизии под командованием полковника Голлника, планируя наступление с западного направления. В темноте на шоссе произошло несколько стычек с немецкими патрулями.
Тем временем саперы 2-й роты ожидали у Штабных ворот подразделения 82-го маршевого батальона. В Кобринском укреплении гремел бой. Два связных, посланных к капитану В. Радзишевскому с приказом отходить, не вернулись. Позднее выяснилось, что командир заявил своим подчиненным, что разрешает им отступить, но сам будет сражаться. Солдаты решили остаться на позициях вместе с ним.
Около полуночи саперы в свете немецких ракет увидели танки и пехоту, которые двигались с севера к Цитадели. Одновременно пришло известие, что дорога на Тересполь перехвачена противником. Два взвода 2-й роты оказались отрезанными на Центральном острове. В этой обстановке поручик Полячек принял решение прорываться сквозь немецкие цепи в южном направлении по правой стороне Буга. Небольшой отряд просочился через Госпитальный остров и Хелмские ворота и благополучно вышел в окрестности Страдичей. Затем, переправившись через Буг, саперы через трое суток присоединились к отступавшей на юг группировке «Брест».
В первой половине дня 17 сентября через Авиационный остров в Цитадель по неразрушенному мосту ворвался 76-й пехотный полк немцев. Со стороны города в крепость вошли подразделения 20-й моторизованной дивизии. Потери обеих сторон в этом сражении неизвестны. В плен в районе крепости попали 988 польских солдат и офицеров. Много тяжелораненых и контуженных пришлось оставить в госпитале. С ними до конца были врачи-офицеры, санитары и медсестры под руководством капитана Феликса Драгана.
Часть защитников во время ночного марша на Тересполь заблудилась, наткнулась на противника и была взята в плен. Однако большинство польских подразделений прибыли в назначенное место сбора в район Кодня. Около 2000 польских солдат и офицеров группировки «Брест» под командованием подполковника А. Хорака продолжали борьбу на Люблинщине до 1 октября 1939 г.
Нацистский флаг со свастикой развевался над Брестской крепостью недолго. В день, когда германские войска заняли Цитадель, а генерал Г. Гудериан перенес штаб своего корпуса из Каменца в Брест, в здание Полесского воеводства, с востока польскую границу перешла Красная Армия.
Освободительный поход
17 сентября в 5.00 штурмовые отряды советских армий и пограничных войск перешли границу и разгромили польскую пограничную охрану. Декларируемой целью Освободительного похода являлось оказание помощи украинцам и белорусам, которым в условиях распада польского государства грозила немецкая оккупация, избавление их от национального гнета и эксплуатации. На территорию Западной Белоруссии вступили войска Белорусского фронта под командованием командарма 2-го ранга М.П. Ковалева в составе 3, 11, 10, 4-й армий и конно-механизированной группы. Накануне бойцам и командирам зачитали боевой приказ № 01, в котором говорилось, что «белорусский, украинский и польский народы истекают кровью в войне, затеянной правящей помещичье-капиталистической кликой Польши с Германией. Рабочие и крестьяне Белоруссии, Украины и Польши восстали на борьбу со своими вековечными врагами — помещиками гд капиталистами… Армии Белорусского фронта переходят в наступление с задачей — содействовать восставшим рабочим и крестьянам Белоруссии и Польши в свержении ига помещиков и капиталистов и не допустить захвата территории Западной Белоруссии Германией».
Для польского руководства вмешательство СССР оказалось полной неожиданностью. На восточной границе, кроме батальонов пограничной стражи, других войск не имелось и взять их было неоткуда. Маршал Э. Рыдз-Смиглы отдал польской армии приказ: «С Советами боевых действий не вести, только в случае попытки с их стороны разоружения наших частей. Задача для Варшавы и Модлина, которые должны защищаться от немцев, без изменений. Части, к расположению которых подошли Советы, должны вести с ними переговоры с целью выхода гарнизонов в Румынию и Венгрию». Германское командование, получив сообщение о переходе Красной Армией польской границы, отдало своим войскам приказ остановиться на линии Сколе — Львов — Владимир-Волынский — Брест — Белосток.
Советские армии продвигались, практически не встречая сопротивления. К исходу первого дня передовые части 4-й армии комбрига В.И. Чуйкова, действовавшей на южном фланге Белорусского фронта, вступили в Барановичи. Вечером 21 сентября командующий армией поставил командиру 29-й танковой бригады С.М. Кривошеину задачу не позднее 14.00 следующего дня занять Брест, который согласно советско-германскому протоколу о демаркационной линии отходил к СССР. Совершив 120-километровый бросок, бригада 22 сентября достигла города.