Г. Гудериан приказал прекратить штурмы и подвергнуть защитников крепости систематическим артиллерийским и авиационным ударам. Эти удары продолжались всю ночь и утром 16 сентября. Только в 10 часов штурмовые отряды 20-й моторизованной и 10-й танковой дивизий вновь начали наступление. Германская пехота поднялась на гребень валов, но атака вновь захлебнулась, так как не был выполнен приказ наступать непосредственно за огневым валом артиллерии.

Генерал Г. Гудериан, узнав об очередной неудаче, лично прибыл к крепости и после уточнения задач и вопросов взаимодействия отдал приказ начать новый штурм. Но и этот штурм захлебнулся. Пехота отошла с большими потерями. Выстрелом польского снайпера был убит адъютант командира корпуса подполковник Браух. Но и положение оборонявшихся было тяжелым: потери убитыми и ранеными достигли 40 %, заканчивались снаряды и гранаты, многие укрепления были превращены в руины, была нарушена связь с польским командованием, находившимся в Пинске.

В 17 часов 16 сентября на совещании у коменданта крепости было решено прекратить сопротивление и прорываться из Бреста через еще свободный путь на Тересполь, Кодень. Выход войск был начат ночью. Но именно в эту ночь немецкое командование решило начать новый штурм крепости. Вырываться пришлось с боями, оставив заслоны.

В первой половине 17 сентября в цитадель по неразрушенному мосту ворвались подразделения 76-го пехотного полка. Со стороны города в крепость пошли части 20-й моторизованной дивизии. Брестская крепость, которая сопротивлялась четверо суток, пала. Потери обеих сторон в этом сражении остались неизвестными. Но известно, что в районе крепости в немецкий плен попало 988 польских солдат и офицеров.