Пятого мая после артиллерийской подготовки и бомбоштурмовых ударов авиации советские войска перешли в наступление с северо-востока и с севера. В результате двухдневных боев части и соединения 2-й гвардейской армии в районе Мекензиевых гор, действуя в трудных условиях местности, преодолели две, а местами и три линии траншей противника. Мощный удар 2-й гвардейской армии ввел в заблуждение немецкое командование. Предполагая, что здесь наносится советскими войсками главный удар, противник начал перебрасывать сюда пехоту и артиллерию со своего правого фланга. Это существенно облегчило действия советских войск, наступавших с востока и юго-востока.
Седьмого мая после мощной артиллерийской подготовки и ударов авиации по позициям противника началось наступление войск Приморской и 51-й армий на главном направлении Сапун-Гора — высота Горная. Преодолевая упорное сопротивление противника, советские войска уже к исходу дня овладели Сапун-Горой — господствующей высотой, прикрывавшей пути к Севастополю. В боях за Сапун-Гору отличились капитан Н. В. Шилов, старший лейтенант П. М. Калиниченко, лейтенанты В. Ф. Жуков и М. Я. Дзигунский, младший лейтенант В. Ф. Громаков, старшина А. М. Фисенко, старший сержант Ф. Н. Скорятин, ефрейтор В. И. Дробязко, рядовые С. П. Евглевский, И. К. Яцуненко, Дадаш Бабаджанов, Ашот Маркарян и многие другие отважные солдаты и офицеры 51-й и Приморской армий.
В тот же день была занята высота Сахарная Головка, которая прикрывала вход в Инкерманскую долину, а войска 2-й гвардейской армии, действовавшие с севера и северо-востока, после четырехчасового боя овладели полустанком Мекензиевы горы и продвигались к восточной части Северной бухты. 8 мая части и соединения советских войск вышли к внутреннему оборонительному обводу Севастополя.
Утром 9 мая войска 4-го Украинского фронта сломили сопротивление немецких войск на внутреннем севастопольском обводе, переправились через Северную бухту и устремились со всех сторон к городу. В результате согласованных ударов советских войск по обороне противника с севера, востока и юго-востока 9 мая Севастополь был полностью освобожден от оккупантов. 12 мая остатки 17-й армии, прижатые к морю Приморской армией, сложили оружие. Символично, что это произошло на мысе Херсонес, где приняла свой последний бой Отдельная Приморская армия 1-го формирования. На этом Крымская наступательная операция была победоносно завершена.
17-я немецкая армия, включавшая в себя 12 дивизий, понесла сокрушительное поражение. 100 тысяч ее солдат и офицеров были убиты или взяты в плен. Советские войска захватили всю боевую технику армии. Кроме этого, советская авиация и корабли Черноморского флота потопили большое количество судов с войсками и военными грузами. Если в 1941–1942 гг. вермахту понадобилось 250 дней, чтобы овладеть Севастополем, который самоотверженно защищали советские воины, то в 1944 г. Красная армия всего за 35 дней взломала мощные укрепления противника в Крыму и наголову разгромила двухсоттысячную немецкую группировку.