Артиллерийское обеспечение наступления планировалось следующим образом. Во 2-й гвардейской армии общая продолжительность артиллерийской подготовки намечалась 2 часа, а в 51-й и Приморской армиях— 1 час 30 мин. График артиллерийского наступления в армиях 4-го Украинского фронта предусматривал периоды разрушения и подавления целей на переднем крае и в глубине обороны противника с широким применением орудий для стрельбы прямой наводкой. С момента начала атаки артиллерия имела задачу сопровождать наступление пехоты и танков на всю глубину вражеской обороны до овладения Севастополем.

На направлениях главных ударов армий плотность артиллерии и минометов на 1 км фронта была создана следующая: в полосе наступления 2-й гвардейской армии—155, в 51-й армии— 176 и в Приморской армии — до 250 орудий и минометов. Одно из важных мест при использовании артиллерии отводилось орудиям, выделенным для стрельбы прямой наводкой. На прямую наводку была поставлена вся полковая и батальонная артиллерия, а также часть батарей дивизионной артиллерии и артиллерии усиления, вплоть до 203-мм орудий.

На период борьбы за Севастополь фронтовая авиация получила задачу непрерывными бомбовыми и штурмовыми ударами по основным опорным пунктам и узлам обороны врага содействовать наземным войскам фронта в прорыве обороны на всю глубину до овладения Севастополем. Одновременно с этим авиация фронта совместно с военно-воздушными силами Черноморского флота должна была воспретить противнику эвакуацию из Севастополя по морю и воздуху живой силы и техники.

К началу штурма Севастополя стрелковые дивизии имели в своем составе 4—5 тыс. человек. Советские войска превосходили противника по пехоте в 3 раза, а по артиллерии и минометам — в 3—3,5 раза.

В соответствии с планом операции наступление 2-й гвардейской армии началось 5 мая после двухчасовой артиллерийской подготовки. В результате двухдневных боев войска этой армии, действуя в трудных условиях горно-лесистой местности, преодолели две, а местами три линии траншей противника.

Предпринятое войсками 2-й гвардейской армии наступление ввело врага в заблуждение. Предполагая, что именно здесь советские войска наносят главный удар, немецко-фашистское командование начало перебрасывать на участок прорыва 2-й гвардейской армии свои части и особенно зенитную артиллерию с правого фланга обороны, что значительно облегчило последующие действия 51-й и Приморской армий.

7 мая после полуторачасовой артиллерийской подготовки перешли в наступление войска 51-й и Приморской армий. К исходу первого дня они прорвали оборону на внешнем обводе противника, овладели Сапун-Горой — важнейшим узлом сопротивления врага — и высотой Сахарная Головка, прикрывавшей вход в Инкерманскую долину.

В этот же день 2-я гвардейская армия после четырехчасового боя овладела полустанком Мекеизиевы горы и устремилась к Северной бухте.

8 мая войска фронта с боями вышли к внутреннему оборонительному обводу Севастополя, а десант, высаженный в ночь на 9 мая в районе мыса Северная Коса в составе усиленного батальона, значительно затруднил выход из Северной бухты сосредоточенным здесь транспортным средствам врага.

Утром 9 мая после артиллерийской и авиационной подготовки войска фронта, продолжая наступление, сломили сопротивление противника на внутреннем севастопольском обводе и со всех сторон устремились к городу. Для развития общего успеха войск фронта в полосе наступления Приморской армии был введен в бой 19-й танковый корпус, который начал преследование вражеских войск в направлении Камышевой бухты.

55-й стрелковый корпус 2-й гвардейской армии, обойдя с востока Северную бухту, продвинулся по ее южному берегу к Слободе Корабельной и совместно с 1-м гвардейским стрелковым корпусом 51-й армии овладел последней.

63-й стрелковый корпус 51-й армии, продолжая наступление, к 15 часам подошел к северо-восточной окраине Севастополя. К этому же времени соединения 10-го стрелкового корпуса, введенные в бой из второго эшелона армии, завязали бои в восточной части города. К 19 часам 9 мая Севастополь совместными усилиями войск 51-й, Приморской и 2-й гвардейской армий был полностью очищен от противника.

Разрозненные, потерявшие управление части немецко-фашистских войск, преследуемые 19-м танковым корпусом, бежали из Севастополя на мыс Херсонес.

Пытаясь спасти от полного разгрома остатки своей группировки, немецко-фашистское командование в ночь на 12 мая направило транспортные корабли к юго-западному побережью Крыма с целью эвакуации остатков своих войск морем. Ударами авиации и сил Черноморского флота значительная часть транспортов противника была потоплена.

Продолжая наступление, войска 51-й и Приморской армий во взаимодействии с 19-м танковым корпусом к 12 часам 12 мая закончили очищение от остатков войск противника мыса Херсонес. Лишь небольшим группам противника на самодельных плотах удалось выйти в море, где они были подобраны немецкими торпедными катерами.