Самолеты летели к цели двумя основными маршрутами: одна группа – через Ряжск-Сасово-Муром-Павлово, вторая – над железной дорогой Москва-Горький на высоте 2000–3000 метров. Небольшая часть бомбардировщиков летела через Арзамас с выходом к цели с южного направления. Впереди шли цельфиндеры, обозначавшие маршрут полета периодически сбрасываемыми осветительными ракетами. Погода опять благоприятствовала налету: стоял полный штиль, температура к ночи опустилась до плюс 13 градусов.
В 23.55 генерал Осипов вновь приказал объявить воздушную тревогу. Сигнал был принят всеми районами города и продублирован средствами оповещения в течение восьми минут. В штабе ПВО царило напряжение, посты ВНОС наперебой докладывали о приближении большого числа самолетов. Навскидку суммировав их данные, стало ясно, что на Горький идут не менее 150 бомбардировщиков. Осипов и его штаб приготовились к худшему.
После полуночи в небе над Автозаводским районом вновь вспыхнули осветительные «люстры». Было понятно, что основным объектом атаки вновь станет ГАЗ. Самолеты шли на цель с трех направлений, заходя для атаки с севера, запада и юга. Первыми наносили удар пикирующие бомбардировщики Ju-88А, затем с горизонтального полета вываливали свой смертоносный груз «Хейнкели».
На этот раз основной удар наносился по механическим, прессовым и инструментальным цехам, расположенным в северной части автозавода. Сильной бомбежке подвергся инструментально-штамповальный корпус. Внутри здания взорвались 12 фугасных бомб, в том числе одна весом 1000 килограммов. Еще три фугаски воткнулись в пол и не сработали. В режущем цехе и ЦИС сильно пострадало оборудование, обвалилось 100 квадратных метров кровли. В штамповых цехах № 2 и № 3 обрушился целый пролет крыши. С южной стороны здания прямым попаданием была разрушена трансформаторная будка. На улице около инструментально-штамповального корпуса упали еще десять тяжелых фугасных бомб, в том числе три SC1000. От разрыва в общей сложности нескольких тонн аматола и тротила был сдвинут фундамент, расслоилась кладка, а местами обрушились целые участки стен. Многие несущие конструкции получили сильную деформацию. На месте погибли десять человек, два получили тяжелые и три легкие ранения.