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.
Героический подвиг советских войск был высоко оценен Родиной. Пять раз салютовала Москва доблестным воинам армии и флота, освобождавшим Крым от немецко-фашистских захватчиков. Многим соединениям и частям были присвоены почетные наименования Перекопских, Сивашских, Керченских, Феодосийских, Симферопольских, Ялтинских, 118 частей получили наименование Севастопольских. 126 советским воинам присвоено звание Героя Советского Союза, командир эскадрильи Герой Советского Союза В. Д. Лавриненков был награжден второй медалью «Золотая Звезда». Тысячи удостоились правительственных наград, только во 2-й гвардейской армии орденами и медалями были награждены 5229 солдат и офицеров. Первыми кавалерами орденов Ушакова и Нахимова стали контр-адмиралы П. И. Болтунов и С. Г. Горшков, генералы В. В. Ермаченков и П. А. Моргунов. Высокими государственными наградами отмечены 56 соединений и частей Красной армии, в том числе орденом Красного Знамени — 41, орденом Суворова — 10, орденом Красной Звезды — 5. В славную плеяду городов-героев вошли Севастополь и Керчь. В этих наградах — высокая оценка Родиной ратных подвигов советских воинов — непосредственных участников боев на Крымском полуострове, мужественных подвигов всех тружеников этих городов.
С освобождением от врага Крыма — важнейшей стратегической позиции на Черном море — обстановка в бассейне Черного моря резко изменилась. Освобождение Севастополя, Главной военно-морской базы Черноморского флота, и Одессы позволило советскому флоту занять более выгодные позиции для участия в последующих операциях и поддержке сухопутных войск на Балканах. После изгнания захватчиков из Крыма Черноморский флот активизировал действия на вражеских коммуникациях морской авиации, подводных лодок и торпедных катеров.