После перегруппировки сил генерал Гудериан организовал массированный штурм по всем правилам: 10-я танковая дивизия должна была наступать вдоль шоссе Чернавчицы — Брест, 20-я моторизованная — вдоль правого берега Буга, 3-я танковая дивизия — с восточной и южной сторон, завершив окружение крепости. Германские дивизии обладали значительным перевесом в силах и средствах, что гарантировало им успех. При этом поляки ничего не могли противопоставить мощному огню немецкой артиллерии и бомбардировкам с воздуха, кроме старых валов и казематов. Против 154 немецких танков было полтора десятка противотанковых ружей, против 260 орудий и минометов — 18 полевых пушек и 8 зениток. Всю ночь немецкие орудия вели обстрел крепости.

Утром 15 сентября после массированной артиллерийской и авиационной подготовки подразделения 10-й танковой и 20-й моторизованной дивизий пошли на штурм. Защитники крепости оказали упорное сопротивление. Бой, во многих местах переходивший в рукопашные схватки, продолжался весь день. Во время огневых налетов и воздушных бомбардировок защитники укреплений, оставив наблюдателей, уходили в казематы, когда наступала тишина — занимали окопы. Наступление немцев захлебнулось на гребне крепостных валов. Генерал Гудериан вновь перешел к систематическим авиационным и артиллерийским ударам, которые наносили невосполнимый урон защитникам крепости. Раненых польских солдат по мосту через Буг относили в госпиталь на Южном острове, часть из них эвакуировали в Тересполь.

Около 10 часов утра 16 сентября штурмовые отряды 10-й танковой и 20-й мотодивизии силами двух пехотных батальонов при поддержке танков и артиллерии начали решительное наступление на линию польской обороны. Германская пехота поднялась на гребень валов, но атака вновь захлебнулась, так как солдаты не выполнили приказа наступать непосредственно за огневым валом. Особенно ожесточенное сражение развернулось в районе Северных ворот, где защищался маршевый батальон 82-го пехотного полка капитана Вацлава Радзишевского при поддержке нескольких орудий 49-го дивизиона. Обеспокоенный Гудериан прибыл к месту событий, но и в его присутствии пехота не добилась успеха и отступила с тяжелыми потерями. Выстрелом польского снайпера был смертельно ранен адъютант командующего корпусом подполковник Браубах. В ожесточенном двухдневном сражении только 69-й полк 20-й мотодивизии потерял 127 человек убитыми, 7 утонувшими и 237 ранеными.

Однако положение защитников становилось безнадежным. Группировка «Брест» была на грани уничтожения, потери убитыми и ранеными составляли 40 процентов, заканчивались снаряды и гранаты, помощи не было. Горели казармы, многие укрепления были превращены в руины. На отдельных участках немцам удалось зацепиться за крепостные валы и вынудить польские подразделения отступить в Цитадель. Генерал Плисовский, получивший осколочное ранение, к этому времени утратил связь с командованием в Пинске и не имел никакой информации о положении на фронте и ситуации в стране. Между тем Варшава уже была полностью блокирована. Группа армий «Юг» соединилась в районе Влодавы с группой армий «Север», замкнув кольцо окружения вокруг основных сил польской армии. Общее руководство военными действиями практически отсутствовало. Всего этого в крепости не знали. Было лишь известно, что в направлении Бялой Подляски частей противника еще не было, а между Бугом и Вислой отходит на юг 33-я польская пехотная дивизия. Около 17 часов 16 сентября генерал Плисовский созвал совещание командиров участков обороны, на котором было принято решение: «Не видя возможности дальнейшего удержания крепости и оценивая, что уход из нее не нанесет вреда всей операции», покинуть Цитадель через свободный путь на Тересполь — Кодень.

Поздним вечером, когда огонь немецкой артиллерии стал менее интенсивным, из крепости через Тереспольские ворота вышли командование и штаб обороны, маршевые баталышы 34-го и 35-го полков, караульные батальоны, артиллеристы, обоз и машины с ранеными. С наступлением ночи дорога на Тересполь была запружена отступающими польскими частями. Прикрывать отход остались солдаты 82-го маршевого батальона и 2-я рота саперов. Саперы должны были оставить позиции последними, уничтожив за собой мосты и заминировав дорогу.

Немцы в ночь с 16 на 17 сентября перебросили на левый берег Буга 76-й пехотный полк 20-й мотодивизии под командованием полковника Голлника, планируя наступление с западного направления. В темноте на тереспольском шоссе произошло несколько стычек польского арьергарда с передовыми немецкими патрулями.

Саперы 2-й роты продолжали ожидать в Цитадели подразделения 82-го маршевого батальона. В Кобринском укреплении гремел бой. Связные, посланные к капитану Радзишевскому с приказом отходить, не вернулись. Позднее выяснилось, что командир заявил подчиненным, что разрешает им отступить, но сам будет сражаться до конца. Солдаты решили остаться вместе с ним. Около полуночи саперы при свете ракет увидели танки и пехоту, которые двигались с севера к Цитадели. Одновременно пришло известие, что дорога на Тересполь захвачена противником. Так и не выполнив задание, небольшой отряд саперов через Холмские ворота просочился на Южный остров, а затем благополучно вышел в окрестности Страдичей.

В первой половине дня 17 сентября через Западный остров в Цитадель по неразрушенному мосту у Тереспольских ворот ворвался 76-й пехотный полк немцев. Со стороны города в крепость вошли подразделения 20-й моторизованной дивизии. Потери обеих сторон в этом сражении неизвестны. В плен в районе Брестской крепости попали 988 польских солдат и офицеров, в основном раненые. Много тяжелораненых и контуженых пришлось оставить в госпитале. С ними до конца были врачи-офицеры, санитары и медсестры под руководством капитана Феликса Драгана. Часть защитников заблудилась во время марша на Тересполь и, наткнувшись на противника, была взята в плен. Однако большинство польских подразделений прибыли в назначенное место сбора в район Коденя. Около 2000 польских солдат и офицеров группировки «Брест» под командованием подполковника Хорака продолжали борьбу на Люблинщине до 1 октября.

В Полесье были развернуты войска 23-го стрелкового корпуса (52-я стрелковая дивизия и корабли Днепровской флотилии) комдива С.Д. Акимова, которым было запрещено переходить границу до особого распоряжения. Корпус присоединился к Освободительному Походу лишь вечером 18 сентября, нанося удар во фланг и тыл оперативной группе «Полесье» генерала Клебэрга (впрочем, о ее наличии советское командование не имело понятия). В состав группы входили пехотная дивизия «Кобрин» (семь батальонов пехоты, два гаубичных дивизиона), Подлясская кавалерийская бригада и Пинская речная флотилия, насчитывавшая 102 боевые и вспомогательные единицы. Главной ударной силой флотилии были четыре монитора типа «Варшава» и два монитора типа «Краков».

Возле самой советской границы, в Давид-Городке, с 15 сентября размещалась эвакуированная из Варшавы штаб-квартира Корпуса пограничной охраны под руководством генерала Вильгельма Орлика-Рюкеманна, которому номинально подчинялись все польские пограничные части. Однако реально генерал имел связь только с бригадой КОР «Полесье», батальоном КОР «Клецк» и полком КОР «Сарны».

17 сентября около 5 часов утра командование КОР получило сообщение, что советские войска перешли границу и напали на пограничные заставы. «Не только с момента объявления всеобщей мобилизации, но и до конца войны руководство КОР не получило ни одной директивы или приказа, что нам делать — на случай войны с Германией либо войны на два фронта», — указывал в донесении Рюкеманн. Все это время Корпус погранстражи играл лишь роль резерва живой силы для формирования армейских соединений..