Основной удар наносился по крекинг-заводу им. Кирова и Увекской нефтебазе. «Хейнкели» сбрасывали бомбы с высоты 3000– 4000 м, а «Юнкерсы» – с пикирования. В результате налета крекинг-завод получил серьезные повреждения и был снова выведен из строя. Среди бойцов пожарной, военизированной охраны и гражданского населения, по официальным данным, были убиты и ранены 36 человек.
Действия частей ПВО оказались неэффективными. Прожекторные части произвели 24 групповых поиска, но из-за низкой облачности осветили лишь одну цель, да и ту зенитчики обстрелять не успели. Последние заявили о двух сбитых самолетах, однако фактически все бомбардировщики вернулись на свои аэродромы. Правда, при посадке на аэродроме Брянск потерпел аварию и разбился один «Юнкере» из II./KG51 «Эдельвейс», но никто из членов его экипажа не пострадал.
Вылеты ночных истребителей тоже оказались безрезультатными. Команды на взлет отдавались несвоевременно, а распределение самолетов по зонам не соответствовало воздушной обстановке. Система же управления не обеспечивала их перевода из одних зон в другие. Основные силы ночных истребителей сосредоточились в зонах № 1 и № 4, а противник в основном проходил через зоны № 2 и № 5. Взаимодействие с зенитной артиллерией и прожекторами также было организовано плохо. Это привело к тому, что свои истребители часто освещались прожекторами и были обстреляны зенитной артиллерией. Выяснилось, что и летный состав 144-й ИАД слабо подготовлен для действий в ночных условиях.
Командование советских ВВС в отчаянии продолжало раз за разом бросать свои бомбардировщики на атаки немецких аэродромов. Днем налеты совершали штурмовики под прикрытием истребителей, а ночью – двухмоторные бомбардировщики АДД. В ночь на 12 июня 468 Ил-4, В-25, Ли-2 и ТБ-3 бомбили аэродромы Брянск, Сещинская и Орел, а также Боровск в районе Смоленска. На следующую ночь авиация дальнего действия снова нещадно бомбила Брянск и Карачев, потеряв при этом два самолета, а днем 13 июня был совершен дневной налет на Орел. На этот раз немецкая зенитная артиллерия и истребители сбили три бомбардировщика. Однако на активности Люфтваффе эти усилия советской авиации никак не сказывались.
Вечером 13 июня над Горьким в очередной раз пролетел самолет-разведчик. В погоню вновь были посланы полтора десятка истребителей, но никто уже и не надеялся на какой-либо результат. Командование ПВО гораздо больше беспокоило, будет ли новый налет.
Вечером в области установилась облачная погода при влажности воздуха 51%, но осадков не было, со скоростью 13 м/с дул северо-восточный ветер. До полуночи в городе было спокойно, и многие жители уже надеялись, что налета опять не будет, однако в 00.05 во всех районах все же завыли привычные гудки воздушной тревоги.
В штабе Горьковского корпусного района ПВО на Почтовом съезде напряженно следили за поступающими сообщениями с постов ВНОС и РЛС. Бомбардировщики шли по маршруту Рязань – Муром – Павлово – Горький. Основная масса летела мелкими группами на высоте 3000—5000 м. Цельфиндеры шли к цели поодиночке, периодически сбрасывая осветительные ракеты. Когда первые самолеты приблизились к Дзержинску, оборонявший его 1291-й ЗенАП открыл заградительный огонь, затем начали стрелять зенитки 748-го и др. полков. Но «Хейнкели» и «Юнкерсы», невзирая на разрывы снарядов, продолжали идти к цели.
Дальше все пошло по старому сценарию: сначала повисли «люстры», затем началась бомбежка. Основной удар в этот раз наносился по Ленинскому району города, прежде всего по минометному заводу «Двигатель революции». Первым делом «Юнкерсы» разбомбили водозаборную станцию Ленинского района (Первомайскую водокачку), полностью прервав подачу воды в жилые поселки и на предприятия. Затем в 01.07 на завод «Двигатель революции» были сброшены 16 фугасных и 20 тяжелых зажигательных бомб.
Четверо бойцов унитарной команды цеха № 12 – Кукушкин, Аракчеев, Батьянов, Петрушенко – находились на своих постах, напряженно вслушиваясь в происходящее на улице. После первой серии взрывов последовала вторая, и тут сверху раздался резкий хруст, а затем гулкий удар и хлопок. После этого все помещение на мгновение озарила яркая вспышка. На секунду зажмурившись, бойцы открыли глаза и увидели, как в радиусе нескольких десятков метров полыхает разбрызганная горючая жидкость. Кукушкин и Аракчеев тут же схватили ведра с песком и стали забрасывать им огонь, Батьянов и Петрушенко пытались поливать жидкость водой, но этого оказалось мало. Очагов огня было слишком много, а песок быстро закончился. Однако бойцы не растерялись и стали забрасывать пламя землей, листами железа и прочим негорючим материалом. В итоге пожар удалось предотвратить.