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, части которой штурмовали Брестскую крепость, генерал Штумф, 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 дивизий 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.
Но Брест по секретному протоколу должен был находиться на территории Советского Союза, войска которого в то время продвигались к городу с востока, совершая «освободительный поход» в Западную Белоруссию. 21 сентября советские войска вошли в Брест, и в 16 часов на улице Люблинской унии состоялся совместный парад советских и немецких войск. В Брест из Иванцевичей переместился штаб 4-й армии Белорусского военного округа, который 11 июля 1940 года был преобразован в Западный Особый военный округ.
Летом 1940 года началось строительство 62-го Брестского укрепленного района. Долговременные сооружения возводились по восточному берегу Западного Буга непосредственно вдоль границы на виду у немецких пограничных застав. Полоса предполья, вследствие того что сооружения строились по берегу реки, не создавалась. Подобное расположение дзотов не позволяло подступы к ним прикрыть минными полями и провести предварительную пристрелку из вмонтированных в них орудий.
К 21 июня 1941 года в Брестском укрепленном районе было забетонировано 128 долговременных огневых точек, из которых 11 находились в районе города и крепости Брест. В Брестской крепости и возле нее размещались части 6-й и 42-й стрелковых дивизий 28-го стрелкового корпуса (командир – генерал-майор В. С. Попов), а также части окружного подчинения.
Город Брест, состоявший в основном из строений частного сектора, особого интереса в плане обороны не представлял. Брестская крепость как фортификационное сооружение давно утратила свое значение. Ее постройки, частично восстановленные после событий сентября 1939 года, использовались для размещения войск и складов в мирное время. Оборона крепости не предусматривалась. В случае начала военных действий гарнизон Бреста должен был выходить в районы сосредоточения или занимать оборону на подготовленных позициях в Брестском укрепленном районе. В условиях внезапного нападения выход войск из крепости становился нереальным. Для того чтобы покинуть крепость, войскам требовалось не менее четырех часов времени.
Но немецкое командование, имевшее опыт штурма Брестской крепости в 1939 году, более тщательно готовилось к овладению этой твердыней. Так, генерал Г. Гудериан в своей книге «Воспоминания солдата» пишет:
«Крепостью Брест-Литовск (Брест) с ее старыми укреплениями, отделенной от нас реками Зап. Буг и Муховец, а также многочисленными наполненными водой рвами, могла овладеть только пехота. Танки смогли бы взять ее только внезапным ударом, что мы и попробовали сделать в 1939 году. Но в 1941 году условий для этого уже не было.
Поэтому я решил танковыми дивизиями форсировать Западный Буг по обе стороны Брест-Литовска, а для наступления на крепость попросил подчинить мне пехотный корпус... 4-я армия должна была также временно придать мне для обеспечения форсирования реки Западный Буг несколько пехотных и прежде всего артиллерийских частей... Я не рассчитывал на немедленное падение крепости Брест-Литовск...»
По воспоминаниям свидетелей, к 22 июня Брестская крепость, как и сам город Брест, к обороне не готовилась. Тот же генерал Г. Гудериан пишет: «Тщательное наблюдение за русскими убеждало меня в том, что они ничего не подозревают о наших намерениях. Во дворе Брестской крепости, который просматривался с наших наблюдательных пунктов, под звуки оркестра они производили развод караулов. Береговые укрепления вдоль Западного Буга не были заняты русскими войсками. Работы по укреплению берега едва ли хоть сколько-нибудь продвинулись вперед за последние недели. Перспектива сохранения момента внезапности была настолько велика, что возник вопрос, стоит ли при таких обстоятельствах проводить артиллерийскую подготовку в течение часа, как это предусматривалось приказом».