В 5 час. 20 мин. сотни пикирующих бомбардировщиков нанесли удар по переднему краю обороны крепости. По словам начальника штаба Африканского корпуса генерал-майора Фридриха Вильгельма Меллентина, «это была одна из самых эффектных воздушных атак, какие автору приходилось когда-либо видеть. Над районом атаки поднялось большое облако пыли и дыма, и в то время как наши бомбы с грохотом падали на оборонительные сооружения, к ним присоединился хорошо спланированный огонь невероятной силы всей немецкой и итальянской армейской артиллерии. Совместный удар артиллерии и авиации был ужасен и, как немцы вскоре убедились, оказал подавляющее воздействие на боевой дух Махратского батальона, оборонявшего этот район. Пикирующие бомбардировщики действовали в течение всего дня, возвращаясь на аэродромы в Эль-Газале и Эль-Адеме лишь для того, чтобы, взяв бомбы, снова вернуться к месту боя. Управление действиями бомбардировочной авиации осуществлялось через оперативный отдел штаба армии и дало весьма плодотворные результаты».
Затем пехота Африканского корпуса атаковала переднюю линию дотов и быстро продвинулась вперед, встречая лишь слабое сопротивление. В 7 час. 03 мин. Менни донес, что в плен сдалась целая рота индийцев, а к 7 час. 45 мин. был достигнут широкий прорыв и занято несколько опорных пунктов противника. Через противотанковый ров благополучно навели мосты.
Град бомб и снарядов загнал индийцев в бетонированные убежища, построенные еще итальянцами. Там они оказались в относительной безопасности, но не могли вести огонь по атакующим войскам, следовавшим вплотную за огневым валом. Благодаря эффективной авиационной и артиллерийской подготовке штурма у защитников Тобрука было нарушено управление огнем артиллерии. Лишь в 8 час. 45 мин. поступили донесения, что огонь британской артиллерии прекращен.
Оборона Тобрука состояла из отдельных опорных пунктов на фронте в 56 км. Выдержать концентрированный штурм она не могла. Роммель использовал более 200 танков, из них 125 немецких. На головных машинах следовали авиационные и артиллерийские офицеры связи для обеспечения непосредственной поддержки. Немцам и итальянцам помогло то, что минные поля в глубине обороны пришли в плохое состояние или вообще были разминированы англичанами. Гарнизон крепости так и не смог организовать мощную контратаку, поскольку части вводились бой разрозненно и были лишены общего управления. В 7.00 20 июня генерал Клоппер приказал батальону танков и двум ротам Колдстримского гвардейского полка контратаковать. Но 4-й танковый полк подошел к Кингз-Кроссу только в 9 час. 30 мин. и затем был брошен в бой, не дожидаясь пехоты и противотанковой артиллерии. Позднее прибыли две роты 7-го танкового полка. Они вышли на линию внутреннего минного поля и были разгромлены.
Линия обороны Тобрука была прорвана. К 9 час. 30 мин. немецкие танки пересекли противотанковый ров и стали веером продвигаться в глубь обороны.
К 11 часам, по данным 15-й дивизии, было уничтожено 15 танков противника и захвачено 150 пленных. К полудню обе германские дивизии достигли линии минного поля южнее Кингз-Кросса, где встретили решительное сопротивление 25-го английского полка полевой артиллерии, усиленного 4-й батареей 5-го южноафриканского дивизиона полевой артиллерии. 2-й южноафриканский дивизион полевой артиллерии, который располагался довольно близко от переднего края, к тому времени уже был уничтожен. В ходе жестокого боя германские танки расстреляли артиллерийскую прислугу пулеметным огнем, а затем прошли через артиллерийские позиции. К 14 часам Африканский корпус вышел на гряду холмов севернее Кингз-Кросса, и Роммель лично отправился туда для руководства наступлением. Тем временем дивизия «Ариете» все еще стояла перед противотанковым рвом, сдерживаемая 2-м Камеронским полком шотландских горцев.
Днем германская 21-я дивизия спустилась с холмов и двинулась к Тобрукской бухте, сломив ожесточенное сопротивление английского тяжелого зенитного дивизиона, подбившего несколько немецких танков. В наступающих сумерках 21-я дивизия пробилась в город Тобрук, окутанный густым дымом горящих складов, и открыла огонь с набережной по английским судам, пытавшимся вырваться в открытое море. Несколько судов было потоплено и подожжено.
15-я танковая дивизия разгромила 1-й Шервудский полк и большую часть 3-го Колдстримского гвардейского полка на кряже Пиластрино и взяла в плен штаб бригады. Взяв большое количество пленных, дивизия расположилась на отдых вокруг Кингз-Кросса. Роммель вечером 20 июня направил в Берлин сообщение о победе. Немецкие и итальянские потери были невелики.