После этого немецкая пехота, при поддержке огнем артиллерии и танков, начала штурм крепости. Поляки упорно сопротивлялись. Непреодолимой преградой оказались польские танки, заблокировавшие ворота крепости своими корпусами и пушечно-пулеметным огнем. За танками на расстоянии до 150 метров были установлены зенитные орудия, выведенные на горизонтальный огонь прямой наводкой. Несколько немецких танков на подступах к крепости подорвались на минах, пехота расстреливалась из пулеметов, установленных в бойницах крепости. Немцы были вынуждены отступить.

Командир 10-й танковой дивизии генерал Штумф, части которой штурмовали Брестскую крепость, узнав о неудаче первой атаки был разъярен упорством поляков. Но подчиненные командиры восприняли это, как недоверие, и во второй половине дня возобновили штурм крепости. Кроме пехоты в наступление было двинуто около 80 танков. Но и эта атака была отбита.

Вечером того же дня в район Бреста прибыл командир танкового корпуса генерал Г. Гудериан. Он организовал штурм по всем правилам. Германские войска обладали превосходством в силах и средствах, поляки не могли противопоставить им ничего существенного. Против 154 танков и 260 немецких орудий поляки имели 18 полевых орудий, 8 зениток и полтора десятка противотанковых ружей.

Всю ночь на 15 сентября немецкие орудия вели обстрел крепости. Ранним утром после массированной артиллерийской и авиационной подготовки подразделения 20-й моторизованной и 10-й танковой пошли на штурм. Защитники крепости продолжали оказывать упорное сопротивление. Местами доходило до рукопашных схваток. Бой продолжался весь день. Попытки германского командования поддержать свои войска ударами с воздуха не увенчались успехом: завидев самолеты, защитники Бреста уходили в казематы, войска настолько перемешались, что немецкие летчики нередко наносили удары по своим подразделениям. Штурм 15 сентября также захлебнулся на гребне крепостных валов.

Г. Гудериан приказал прекратить штурмы и подвергнуть защитников крепости систематическим артиллерийским и авиационным ударам. Эти удары продолжались всю ночь и утром 16 сентября. Только в 10 часов штурмовые отряды 20-й моторизованной и 10-й танковой дивизий вновь начали наступление. Германская пехота поднялась на гребень валов, но атака вновь захлебнулась, так как не был выполнен приказ наступать непосредственно за огневым валом артиллерии.

Генерал Г. Гудериан, узнав об очередной неудаче, лично прибыл к крепости и после уточнения задач и вопросов взаимодействия отдал приказ начать новый штурм. Но и этот штурм захлебнулся. Пехота отошла с большими потерями. Выстрелом польского снайпера был убит адъютант командира корпуса подполковник Браух. Но и положение оборонявшихся было тяжелым: потери убитыми и ранеными достигли 40 процентов, заканчивались снаряды и гранаты, многие укрепления были превращены в руины, была нарушена связь с польским командованием, находившимся в Пинске.

В 17 часов 16 сентября на совещании у коменданта крепости было решено прекратить сопротивление и прорываться из Бреста через еще свободный путь на Тересполь, Кодень. Выход войск был начат ночью. Но именно в эту ночь немецкое командование решило начать новый штурм крепости. Вырываться пришлось с боями, оставив заслоны.

В первой половине 17 сентября в цитадель по неразрушенному мосту ворвались подразделения 76-го пехотного полка. Со стороны города в крепость пошли части 20-й моторизованной дивизии. Брестская крепость, которая сопротивлялась четверо суток, пала. Потери обеих сторон в этом сражении остались неизвестными. Но известно, что в районе крепости в немецкий плен попало 988 польских солдат и офицеров.