С вечера и до самого утра 15-го сентября 1939 года по крепости била немецкая артиллерия. Тяжелые снаряды крушили стены и казармы, но не принесли значительного вреда защитникам, укрывшимся в казематах. Добровольцы даже предприняли пару вылазок и уничтожили несколько танков и броневиков.
Утром 15-го сентября к танкам 10-й дивизии корпуса Гудериана присоединились подразделения пехоты из 20-й моторизованной дивизии. Бои, местами переходящие в ожесточенные рукопашные схватки, продолжались целый день, но атака вновь захлебнулась. Ни поддержка с воздуха, ни мощные артналеты не смогли сломить упорное сопротивление горстки храбрецов.
16-го сентября батальоны двух дивизий немцев снова и снова поднимались на штурм укреплений. Наступление фашисты организовали строго «по науке»: артподготовка, а затем пехотная атака. Немецкий педантизм в какой-то мере помог защитниками. Пока стреляли пушки, они укрывались под толстыми сводами и мощными стенами, возвращаясь в окопы с появлением на поле брани пехоты.
Командиры атакующих батальонов пытались поднять солдат в атаку сразу за огненным валом артналета, но это так и не удалось. В передовые подразделения отправился сам Гудериан. Его адъютант был смертельно ранен, но все усилия немцев, понесших огромные потери, по-прежнему не имели успеха.
Несладко пришлось и защитникам крепости. Отбив с 14 по 16 сентября 7 пехотных атак, поддерживаемых танками, артиллерией и авиацией, поляки потеряли убитыми и раненными около 40% всего личного состава. Раненный осколком руководитель обороны крепости генерал Плисовский остался без связи с командованием, защитники не имели ни малейшего понятия, что происходит за стенами казематов.
Пока еще оставался единственный не перекрытый немцами путь отхода — на Тересполь. Плисовский принял решение прекратить сопротивление и отступить. Под покровом ночи оставшиеся в живых защитники покинули крепость.
Отход прикрывал маршевый батальон 82-го пехотного полка и рота саперов. После минирования дороги и взрыва моста они должны были присоединиться к основным силам отступавших.
Как оказалось впоследствии, генерал Плисовский принял удивительно своевременное решение. Отступление сопровождалось стычками с немецкими патрулями, авангардом подразделений, получивших задачу перекрыть дорогу на Тересполь. Еще немного, и уходить было бы просто некуда.
Немцы вошли в Цитадель утром 17-го сентября. В архивах не осталось документов, подтверждающих суммарные потери захватчиков во время штурма крепости. Возможно, их никто не подсчитывал. Но в донесении одного из полков 20-й моторизованной дивизии указано, что в течение только 15 сентября 1939 года потери полка составили более 130 человек убитыми и около 230 — ранеными.
В захваченной крепости гитлеровцами были пленены 988 польских солдат и офицеров, в основном раненые, не имевшие возможности передвигаться самостоятельно.
Но на этом история обороны Брестской крепости польскими военнослужащими не заканчивается.