Уход в лес от ударов авиации, конечно же, негативно сказался на выполнении задачи. К Каменец-Подольскому части бригады подходили уже в темноте.
Чем дальше 4-я танковая армия углублялась в тылы противника, тем больше хаоса видели танкисты и мотострелки. На дороге от Должка до Каменец-Подольского немцами было брошено около 1000 автомашин. По советской оценке Каменец-Подольский удерживался гарнизоном численностью около 5 тыс. человек, располагавшим несколькими танками «Тигр» и артиллерией. Однозначно подтвердить или опровергнуть эти цифры достаточно затруднительно, т. к. донесение о численности сил, находившихся в распоряжении коменданта Каменец-Подольского, автору обнаружить в документах 1-й танковой армии не удалось. По аналогии с Проскуровым и Тарнополем численность собственно гарнизона города можно оценить в 1–2 тыс. человек. Каменец-Подольский находился довольно далеко в тылу, и никакие части с фронта в него отойти, скорее всего, не успели.
Сами условия местности благоприятствовали упорной обороне Каменец-Подольского. Река Смотрич имеет обрывистые берега высотой до 10 м. Турецкий мост на западной окраине города и прилегающая к мосту переправа были минированы и прикрывались огнем танков и артиллерии, в том числе зенитной. В самом городе было много каменных зданий и каменных заборов. Одним словом, при умелой организации обороны он мог стать настоящей крепостью. Значение Каменец-Подольского трудно было на тот момент переоценить — он являлся «воротами» для отхода соединений немецкой 1-й танковой армии как на юг, так и на запад.
Сообразно ожидавшемуся достаточно сильному сопротивлению строился план штурма города. 29-я гв. мотострелковая бригада (200 активных штыков, пять 76-мм орудий, 13 минометов) должна была форсировать реку Смотрич и атаковать город с запада. 61-я гв. танковая бригада (30 активных штыков, 5 танков 2 СУ-85, одно 76-мм орудие) — наступать за мотострелковой бригадой. 63-й гв. танковой бригаде (60 активных штыков, 8 танков) поручалось танками обеспечить тылы атакующей город группировки, а мотострелками — наступать на юго-западную окраину города. Батальон 16-й мехбригады (98 активных штыков и 12 танков 28-го тп) 6-го мехкорпуса нацеливался на атаку Каменец-Подольского с севера, а 49-я мехбригада (320 активных штыков, 8 орудий, 9 минометов, 8 танков 127-го тп, 17 танков 29-го тп, 12 танков 56-го тп) — в обход города с юга.
Сосредоточение сил для атаки происходило с 12.00 до 17.00 25 марта. Короткий артналет всех огневых средств, в том числе танков, состоялся в 16.50–17.00. Сигналом к общей атаке стал залп «катюш». К 20.00 части 29-й мотострелковой бригады форсировали реку у моста, предотвратили его подрыв и образовали плацдарм. После разминирования моста по нему в город вошли танки 61-й гв. танковой бригады. 49-я мехбригада приданными танками форсировала р. Смотрич южнее Каменец-Подольского вброд и нанесла удар в обход города с юга. Атака была настолько стремительной, что немцы не успели занять подготовленные окопы на окраине города, танки и мотострелки ворвались в город с юга и завязали бой за ж.-д. станцию, которая была полностью очищена от противника к полуночи. Отряд 16-й мехбригады выполнил роль сковывающей группы и вел бой с танками противника на севере города. Уже глубокой ночью, в 4.00 26 марта, 3 танка с ротой мотострелков ударом в тыл сломили оборону противника на этом участке. Потери 6-го гв. мехкорпуса в бою за Каменец-Подольский составили 54 человека убитыми, 160 ранеными и 14 танков подбитыми и сожженными[233]
.Отдельные очаги сопротивления в Каменец-Подольском уничтожали в ночь с 25 на 26 марта. Пользуясь темнотой, солдаты немецких тыловых служб выходили из города, бросая автомашины, оружие и все имущество. В 9.00 26 марта бои в Каменец-Подольском стихли, и части двух корпусов армии Д.Д. Лелюшенко стали выходить на позиции для обороны города. В ходе боев за город советские войска взяли богатые трофеи: свыше 4 тыс. автомашин, 500 мотоциклов, 40 танков, 4 САУ, 20 орудий, 10 складов с различным имуществом. Вечером 27 марта Москва салютовала освободителям Каменец-Подольского 24 залпами из 224 орудий.
Следует сказать, что на тот момент далеко не все части 4-й танковой армии были собраны в Каменец-Подольском. 62-я гв. танковая бригада 10-го гв. танкового корпуса находилась в Гусятине. 17-я мехбригада 6-го гв. мехкорпуса выдвинулась дальше на юг, к Жванцу. Два батальона 16-й мехбригады занимали оборону к северу от Гусятина.