После этого немецкая пехота при поддержке огнем артиллерии и танков начала штурм крепости. Поляки упорно сопротивлялись. Непреодолимой преградой оказались польские танки, заблокировавшие ворота крепости своими корпусами и пушечно-пулеметным огнем. За танками на расстоянии до 150 метров были установлены зенитные орудия, выведенные на горизонтальный огонь прямой наводкой. Несколько немецких танков на подступах к крепости подорвались на минах, пехота расстреливалась из пулеметов, установленных в бойницах крепости. Немцы были вынуждены отступить.

Командир 10-й танковой дивизии генерал Штумф, части которой штурмовали Брестскую крепость, узнав о неудаче первой атаки, был разъярен упорством поляков. Но подчиненные командиры восприняли это как недоверие и во второй половине дня возобновили штурм крепости. Кроме пехоты, в наступление было двинуто около 80 танков. Но и эта атака была отбита.

Вечером того же дня в район Бреста прибыл командир танкового корпуса генерал Г. Гудериан. Он организовал штурм по всем правилам. Германские войска обладали превосходством в силах и средствах, поляки не могли противопоставить им ничего существенного. Против 154 танков и 260 немецких орудий поляки имели 18 полевых орудий, 8 зениток и полтора десятка противотанковых ружей.

Всю ночь на 15 сентября немецкие орудия вели обстрел крепости. Ранним утром, после массированной артиллерийской и авиационной подготовки, подразделения 20-й моторизованной и 10-й танковой дивизий пошли на штурм. Защитники крепости продолжали оказывать упорное сопротивление. Местами доходило до рукопашных схваток. Бой продолжался весь день. Попытки германского командования поддержать свои войска ударами с воздуха не увенчались успехом: завидев самолеты, защитники Бреста уходили в казематы, войска настолько перемешались, что немецкие летчики нередко наносили удары по своим подразделениям. Штурм 15 сентября также захлебнулся на гребне крепостных валов.