Chiến tranh Vệ quốc Vĩ đại bắt đầu đối với Sevastopol vào hồi 3 giờ 15 phút ngày 22 tháng 6 năm 1941, khi thành phố hứng chịu đòn tấn công tàn bạo của không quân phát-xít. Ngày 30 tháng 10 năm 1941 bắt đầu cuộc phòng thủ Sevastopol, kéo dài 250 ngày đêm.
Đóng vai trò quan trọng trong cuộc chiến đấu vì Sevastopol chính là các cư dân bình thường tham gia xây dựng các công trình bố phòng, sản xuất vũ khí và đạn dược dành cho mặt trận và giúp đỡ những người bị thương. Hơn 15.000 người Sevastopol đã gia nhập lực lượng dân phòng.
Ba nỗ lực hòng chiếm thành phố
Lần thứ nhất Sevastopol bị tấn công là ngày 11 tháng 11 năm 1941. Quân đội Đức Quốc xã suốt 10 ngày liền cố gắng đột nhập vào thành phố bằng vũ lực của 4 sư đoàn bộ binh nhưng không có kết quả.
Những kẻ tấn công đã vấp phải sự kháng cự quyết liệt của lực lượng hạm đội và bộ binh Hồng quân, phối hợp thống nhất trong khu vực phòng thủ Sevastopol. Trong cuộc giao tranh này, phía địch đã mất 150 đơn vị kỹ thuật xe tăng thiết giáp, 131 máy bay và khoảng 15.000 sinh mạng binh lính và sĩ quan.
Bọn Đức Quốc xã thực hiện nỗ lực thứ hai hòng giành quyền kiểm soát thành phố trong khoảng thời gian gần cả tháng, từ ngày 7 tháng 12 đến ngày 31 tháng 12 năm 1941. Lần này chúng tập trung 7 sư đoàn bộ binh, 2 lữ đoàn xạ kích vùng núi, hơn 150 xe tăng, 300 máy bay và 1.275 pháo và súng cối. Nhưng cả nỗ lực này cũng thất bại. Những người bảo vệ Sevastopol đã tiêu diệt khoảng 40.000 tên phát-xít và không cho phép kẻ thù đặt chân vào thành phố.
Đến cuối mùa xuân năm 1942, bọn Đức điều đến Sevastopol đạo quân gồm 200.000 lính, 600 máy bay, 450 xe tăng, hơn 2.000 pháo và súng cối. Chúng phong toả thành phố từ trên không và ráo riết tăng cường hoạt động trên biển. Hậu quả của cuộc tấn công ồ ạt vào tháng 6-7 năm 1942, là quân Đức Quốc xã đã chiếm thành phố với cái giá tổn thất nặng nề. Trong quá trình những trận chiến đấu khốc liệt, các anh hùng Sevastopol đã gây thiệt hại nghiêm trọng cho lực lượng Đức Quốc xã và đập tan kế hoạch của chúng ở cánh mặt trận phía nam.
Từ tháng 7 năm 1942 đến ngày 9 tháng 5 năm 1944, Sevastopol bị quân phát-xít Đức chiếm. Hơn 3.000 thường dân đã bị bắn chết ngay trong những ngày đầu tiên của cuộc chiếm đóng.
Chiến dịch Crưm
Các trận đánh giải phóng Sevastopol bắt đầu vào ngày 15 tháng 4 năm 1944, khi quân đội Liên Xô tiến đến công phá thành phố đang bị chiếm đóng.
Ngày 9 tháng 5 năm 1944, các chiến sĩ của Mặt trận 4 Ukraina cùng với các thủy thủ của Hạm đội Biển Đen đã giải phóng Sevastopol.
Với thành tích chiến đấu nổi bật, 44 binh sĩ tham gia trận chiến Sevastopol đã được phong tặng danh hiệu Anh hùng Liên Xô, hơn 39.000 người nhận huy chương «Vì công lao phòng thủ Sevastopol». Sevastopol là một trong những đô thị đầu tiên của Liên Xô được nhận danh hiệu Thành phố Anh hùng vào ngày 8 tháng 5 năm 1965.