Толбухин и Бирюзов выехали на КП Крейзера. Командарм доложил, что наибольшие затруднения испытывает 1-й гвардейский корпус, который на отдельных участках совсем не имеет продвижения. Это очень огорчило Толбухина. «Сергей Семенович, — обратился он к Бирюзову, — я вас прошу, займитесь 1-м корпусом. В то же время не ослабляйте внимания и к 63-му корпусу, от которого, на мой взгляд, зависит сейчас успех всей армии». Оставив Бирюзова на КП 51-й армии, Толбухин уехал.
Весь остаток дня и ночь Бирюзов провел в войсках 51-й армии. Обстановка была очень напряженной. Враг удерживал позиции с небывалым упорством, фашисты сопротивлялись с отчаянием обреченных, используя выгодную для оборонявшихся местность. Ночью полкам 267-й стрелковой дивизии, 63-го корпуса, которым командовал генерал Н. К. Кошевой, удалось прорваться в третью траншею вражеской позиции, форсировать одним батальоном Айгульское озеро и создать угрозу путям отхода немецко-фашистских войск в этом районе. Бирюзов вместе с командиром корпуса делал все возможное, чтобы развить успех. При докладе Толбухину об обстановке он просил усилить 63-й корпус авиацией, пехотой и танками. Командующий фронтом приказал перенести на этот участок главные усилия 8-й воздушной армии, направить туда свежие танковые и стрелковые части. Ранним утром 9 апреля батальон 267-й и полк 346-й стрелковых дивизий прорвали оборонительные позиции врага в районе Каранки, выбили врага из Томашевки. Бирюзов, находившийся в тот момент на КП 63-го корпуса, понимал, что теперь успех операции предрешен. Об этом немедленно было доложено А. М. Василевскому. «Войска 4-го Украинского фронта, — докладывал Бирюзов маршалу, — на Сивашском направлении прорвали основные позиции противника и продолжают наступление. — Затем в шутку добавил: — От имени командования фронта разрешите, Александр Михайлович, передать вам ключи от Крыма».
Но хотя ключи и были, дверь в Крым-то не очень подавалась. Советские войска вели ожесточенные бои. Успех, обозначившийся в полосе 51-й армии, следовало развить силами 2-й гвардейской. А там, на Перекопе, враг, убежденный, что именно здесь наносится главный удар 4-го Украинского фронта, отчаянно сопротивлялся. Некоторые траншеи по нескольку раз переходили из рук в руки. Бирюзов по указанию Толбухина направился во 2-ю гвардейскую армию. Застав в штабе армии совещание руководящего состава, начальник штаба фронта ознакомил армейское командование с обстановкой в полосе 51-й армии и уточнил задачу 2-й гвардейской армии.
Однако не в характере Бирюзова было засиживаться в штабах. Невзирая на ненастную погоду, он с командармом Г. Ф. Захаровым и командующим артиллерией И. С. Стрельбицким выехал в войска: надо было усилить натиск на Перекопском направлении, поддержать успех 51-й армии. В разгар боев, когда Бирюзов находился на Ишуньских позициях, к нему привели пленного. Из его показаний стало ясно, что противник начинает отход на тыловые рубежи. Надо было торопиться, чтобы отрезать ему пути отхода.
10 апреля 51-я армия прорвала фашистскую оборону, и с утра 11 апреля в прорыв был введен 19-й танковый корпус, который к середине дня овладел Джанкоем и устремился на Симферополь. В ночь на 12 апреля 87-я гвардейская дивизия 2-й гвардейской армии, преодолев вброд Каркинитский залив, вышла в тыл частям противника, оборонявшимся на Перекопе, и создала условия для прорыва всей обороны врага на этом направлении: наши войска ворвались в Крым.
Для Бирюзова теперь крайне важным оказалась тесная связь с партизанами. Им надо было менять задачу: если раньше партизанам предписывалось устраивать обвалы на дорогах и взрывать мосты, чтобы затруднить противнику отход, то теперь дороги нужны были советским войскам и надо было не допустить, чтобы противник разрушал их при отступлении.
Советские войска стремительно продвигались к Севастополю. 13 апреля Бирюзов, находившийся в тот день в войсках 19-го танкового корпуса, уже был в Симферополе. Фашисты не успели разрушить город: столь быстрым было их бегство. Со стороны Керчи с 11 апреля наступала отдельная Приморская армия, которая 18 апреля вошла в состав 4-го Украинского фронта. 15-16 апреля советские войска вышли на подступы к Севастополю и начали готовиться к штурму.
А штурм предстоял нелегкий. Противник превратил Севастополь в мощный укрепленный район. Были восстановлены и усилены железобетонные оборонительные сооружения, созданные советскими войсками при обороне города. Против каждой нашей роты враг имел в среднем 32 пулемета и 15 минометов. 72-тысячная армия обороняла Севастополь.