Sau một tháng hoãn binh, Manstein một lần nữa tập trung lực lượng đánh Sevastopol. Ngày 21 tháng 5 năm 1942, pháo binh Đức đồng loạt bắn phá cấp tập vào thành phố-pháo đài này. Cùng với các khẩu pháo thông thường, quân Đức đã huy động pháo cối tự hành siêu nặng Karl-Gerät (cỡ nòng 60cm) và siêu pháo "Dora" (cỡ nòng 80 cm) trút bão lửa lên Sevastopol. Đây là hai trong số những loạt pháo lớn nhất của Đức trong Chiến tranh thế giới thứ hai. Ngày 2 tháng 6, vượt qua hàng rào phòng không mềm mỏng của Liên Xô, toàn bộ lực lượng của Tập đoàn Không quân số 4 (Đức) do Đại tướng Wolfram von Richthofen chỉ huy được huy động để ném bom Sevastopol suốt 5 ngày nhằm dọn đường cho cuộc tiến công sắp tới. Đến ngày 7 tháng 6, lục quân Đức xung phong đánh chiếm các vị trí phòng ngự của Liên Xô. Sau 2 tuần chiến đấu ác liệt, Tập đoàn quân số 11 đã chọc thủng hàng phòng ngự vòng ngoài trên hướng bắc của Sevastopol và làm chủ phần lớn khu vực phía bắc vịnh Severnaya. Thiệt hại của đôi bên đều tăng nhanh trong suốt tháng 8. Hiểu được tầm quan trọng của việc thanh lý Sevastopol trước khi chiến dịch mùa hè năm 1942 làm phân tán nhân và tài lực Đức, ngày 29 tháng 6, Manstein điều quân bất ngờ vượt vịnh Severnaya và đánh bọc hậu tuyến phòng ngự thứ hai của Liên Xô trên dãy Sapun. Quân đội Liên Xô thất thế; ngày 1 tháng 7, quân Đức tràn vào nội đô và Hitler phong Manstein làm Thống chế. 3 ngày sau đó, Tập đoàn quân số 11 hoàn thành chinh phục Sevastopol.