Добившись еще нескольких попаданий, не ставших для кораблей Зиновьева критичными, немецкие пилоты начали стремительно осознавать, что соотношение сил складывается явно не в их пользу. Постоянно прибывающие с разных сторон группы русских истребителей делали атаки немногих уцелевших пикировщиков бессмысленными. Пилоты Рихтгофена были закаленными вояками, но совершать верное самоубийство во имя Фюрера они все же оказались не готовы.
Прекрасно понимая, на ком немецкие пилоты захотят сорвать злость, я приказал половине истребителей, прикрывавших эскадру, начать преследование противника.
Четвертая волна пикировщиков еще только пересекла побережье и была гораздо более скромной, чем две предыдущих, напоминая по составу первую группу, атаковавшую корабли в самом начале боя. Видимо, Рихтгофен собрал остатки боеготовых бомбардировщиков, рассчитывая на то, что им придется уже только добивать сильно поврежденные русские корабли. Отсутствие связи опять сыграло с немцами злую шутку, и вместо того, чтобы отказаться от атаки, сорок пять Ю-87, прикрытых двумя десятками «мессершмиттов», уверенно легли на курс к русской эскадре.
Спасти лидер «Харьков» нам все-таки не удалось. Над еле ползущей сцепкой кораблей появились десятки немецких бомбардировщиков из остатков третьей волны, атаковавшей эскадру Зиновьева, но вынужденной отступить и выбрать более легкую цель. Эсминец «Беспощадный» отошел от лидера и, тяжело маневрируя, попытался одновременно уклониться от атаки противника и прикрыть огнем дрейфующий «Харьков». Пятнадцать истребителей, защищавших поврежденные корабли, вступили в схватку с превосходящими их числом «мессершмиттами», были связаны боем и не смогли сорвать атаку пикировщиков. Понимая, что в небе вот-вот могут появиться новые «Яки» и ЛаГГи, немецкие пилоты выбрали для атаки более крупную и неподвижную цель — огрызающийся зенитным огнем лидер «Харьков».
Три бомбы, ударившие в среднюю часть корабля между трубой и надстройкой, полностью разрушили центральные отсеки корабля и вызвали сильный пожар. Повторять атаку немцы не стали, но полученные повреждения оказались слишком тяжелыми. И так имевший сильный дифферент на нос, «Харьков» начал быстро погружаться в воду. Над тонущим кораблем с шипением поднимались в воздух струи пара. Внутри корпуса иногда что-то взрывалось, от чего исчезающий под водой корабль сотрясала мелкая дрожь. Через считанные минуты корабль поглотило море, но до последних мгновений вслед уходящим на запад немецким бомбардировщикам с его кормы било единственное уцелевшее 130-миллиметровое орудие.