与此同时，从罗马尼亚境内起飞的德国轰炸机也每天飞抵港口上空进行轰炸，为了尽可能多的破坏俄军要塞，德军投入了大量500公斤以上地重磅航空炸弹，其中2.5吨重地“超级航空炸弹”更是投下了900多枚。
使得俄军塞瓦斯托波尔要塞守备部队终日忙于防空和修复工事。
在这段时间里，德国战列舰“恺撒菲特烈三世”号、“威廉王子”
和土耳其战列舰“伟大革命”号、“土耳其”号还带着一些轻巡洋舰炮击了俄属乌克兰沿岸并对向克里木半岛挺进的德军地面部队提供了炮火支援。
6月20号，上述4舰返回塞瓦斯托波尔港外与联合舰队主力会合，当天下午，4艘土耳其战列舰、2艘德国战列舰、2艘德国战列巡洋舰列成一字纵队逼近港口并与俄国要塞守备部队展开激烈的炮战，俄军各炮台先遣已经在持续地轰炸中受了不同程度的创伤，因此在炮战中处于非常不利的局面。
第一天的炮战持续了3个多小时的时间，德土联合舰队的猛烈炮火摧毁了位于塞瓦斯托波尔湾以南山坡上的2个俄军炮台，土耳其战列舰“伟大革命”号和“阿拉尼亚”号分别被俄军的280毫米和203毫米炮弹击中。
但两舰的伤势并无大碍，“伟大革命”号损失了一门150毫米副炮和17名水兵，“阿拉尼亚”号的烟囱被炸出一个大窟窿，两舰均参加了随后两天地炮战。
相比之下，德国战列舰庞大的身躯似乎吸引了更多俄国炮弹，巴伐利亚级战列舰“萨克森”号竟先后被3发365毫米、2发280毫米炮弹击中，舰尾一度燃起熊熊大火，所幸的是这艘战列舰装甲厚实、损管得力，伤势并不影响它参加随后的炮击；崭新的德国战列舰“恺撒菲特烈三世”号体积与“萨克森”号相似，却比它多吃了2枚280毫米炮弹，其中有1枚305毫米要塞炮的炮弹竟然命中了该舰的指挥塔，还有1枚命中了它的2号炮塔，另1枚将它右舷一座双联装150毫米副炮塔炸飞！然而爆炸的硝烟与水花过后，人们却惊讶地发现这艘战舰除了光洁的舰身被炮火熏黑了部分之外，航速不减、炮火不停，指挥塔和2号主炮塔上更是只留下一个浅浅的弹坑，这就是德国的恺撒菲特烈三世级战列舰——在装备3座三联装343毫米舰炮的同时，减少舰体水线长度以节省结构重量；精心设计了船型，采用球鼻型舰艏降低阻力，加上新式轮机可使其达到25节的最高航速；增加甲板装甲厚度以及加大侧舷装甲带的倾斜角度，提高装甲区抗攻击能力；将副炮的位置提高，改善射界。
在接下来的两天时间里，9艘德土主力舰又进行了两次极为猛烈的炮击，加上德国航空母舰上舰载机的校射和空袭，俄军要塞的抵抗力逐渐减弱，加上德军地面部队从陆上进入克里木半岛的消息和俄国革命党潜伏在俄军中内应份子的鼓动，要塞守备部队于6月22日晚发动兵变，在这种情况下，黑海舰队的一部分军舰上的官兵积极响应，剩余的舰只也迫于德土联合舰队的强大威力放弃了抵抗。
6月23日，塞瓦斯托波尔正式陷落，失去主力舰只之后，俄国黑海舰队残部只得退入亚速海，黑海的控制权无可争议的落入联军之手。