Тем временем к городу подходили новые группы «Юнкерсов» и «Хейнкелей», которые, помимо фугасных и осколочных бомб, несли тяжелые зажигалки, начиненные смесью бензина, каучука и фосфора. Пилоты эскадры KG55 «Грайф» потом вспоминали, что, даже не принимая в расчет разноцветный фейерверк от огня зенитной артиллерии всех калибров и плотную сетку лучей прожекторов, при подходе к городу первых атакующих волн самолетов было видно, что цель так хорошо освещена осветительными ракетами, что уже с большого расстояния место бомбежки для подлетающих машин было четко узнаваемо. Во время нахождения над целью командиры эскадр давали необходимые указания, чтобы обеспечить успех атаки всех своих экипажей.

Сектора автозавода были поделены между эскадрильями, каждый штурман держал перед собой фотоснимок подлежащего уничтожению объекта. Увидев ярко освещенные «люстрами» цеха, пилоты бомбардировщиков начали заход. Главный удар наносился по кузнечному, литейному и механосборочному корпусам. От мощных взрывов с грохотом рушились перекрытия, взлетали в воздух станки, валились многотонные краны. Горючая смесь поджигала крыши, растекалась по стенам, расплавляя металлические балки и воспламеняя все на своем пути.

Й. Вольферсбергер из 5./KG27 «Бельке» продолжал свой рассказ: «Мы еще в 50 км от цели, зенитки уже активны, также в достаточном количестве имеются прожектора. Повисла одна осветительная бомба, затем другая, внизу первые вспышки разрывов бомб. Зенитчики ведут себя нервно, они все еще не знают, какой завод мы атакуем. С короткими интервалами падают бомбы, следуют несколько сильных взрывов с последующими пожарами. Итак, наша цель перед нами.

Впереди отчетливо выделяется широкая лента Волги. Черные глубины этой большой русской реки уже часто слышали взрывы бомб, но она беззаботно течет дальше, так же как далее, не обращая ни начто внимания, течет и время, тогда как здесь, наверху, в настоящий момент всех волнует их судьба. Так или похоже мог думать любой в течение этих минут перед бомбежкой.

Сейчас 22.38. С одной из машин уже докладывают: «Всем бортрадистам, осветительные бомбы висят южнее завода, в середине цели пожар». Бортрадист следующего самолета сообщает о заходе на цель, и снова внизу вспышки. Зенитки посылают нам навстречу множество неприятных приветов».

После попадания большого количества фугасных и зажигательных бомб страшный пожар охватил механосборочный корпус № 1, в котором находились главный сборочный конвейер, моторный цех № 2, термический цех и цех шасси. Корпус представлял собой семипролетное здание площадью 66,5 тыс. кв. м, в двух пролетах которого были смонтированы мостовые краны. Конструкция была выполнена в виде металлического каркаса с заполнением стен шлакобетонными камнями и с металлическими фермами. Переплеты наружных стен и фонарей также были сделаны из железа. Крыша состояла из сборных железобетонных кровельных плит со шлаковым отеплением, покрытых рубероидом.

От огромной температуры верхние пояса ферм и основания фонарей стали плавиться, сжатые элементы потеряли устойчивость, и в итоге ряд участков здания полностью обрушились. Горение пропитанного маслами пола и технологических запасов масла довело нагрев нижней части колонн до того, что они теряли устойчивость и оседали, увлекая за собой перекрытия. На участках, где температура от пожара была меньше, фермы теряли устойчивость верхнего пояса без обрушения, но со значительными деформациями и просадками. У оказавшихся в этом аду рабочих не было никаких шансов выжить. В расположенном неподалеку литейном корпусе № 1 после прямых попаданий бомб взорвались доменные печи, и в небо поднялся огромный, почти километровый, огненный столб.

Вольферсбергер видит это из кабины своего «Хейнкеля». «Внизу разрывы, бомбы легли очень хорошо, а теперь —что это было? Мощный взрыв поднимает над заводом огромный огненный столб. Между тем подходят другие машины и тоже сбрасывают свой груз». Через несколько секунд его собственный самолет прошел над автозаводом и восемь 250-кг зажигательных бомб устремились вниз. «Сейчас разрывы следуют один за другим, и эти бомбы также ложатся точно в цель. Завтра дальний разведчик точно определит, что мы поразили».

Тем временем силы ПВО отчаянно пытались противодействовать налету. Однако их усилия оказались неэффективными. В оборонявших город зенитных полках отсутствовало оперативное управление огнем. Так, командир 742-го ЗенАП подполковник Евгенов, командир 784-го ЗенАП подполковник Бирюков и командир 1291 -го ЗенАП майор Зугер находились не на своих КП, а на наблюдательных вышках. Они видели лишь происходящее над своими головами и не успевали реагировать на изменения обстановки. Их команды приходили на батареи с опозданием и уже не отвечали реальной ситуации. Связь с батареями велась по телефону, а рации практически не использовались. В ходе бомбежки провода во многих местах были перебиты, и тогда связь вообще прекратилась.

Напрочь отсутствовало взаимодействие с прожектористами. Последние с трудом осветили 12 самолетов, но ни один из них артиллерия так и не обстреляла. Поэтому зенитчики вели лишь беспорядочный заградительный огонь на предполагаемом курсе и высоте полета бомбардировщиков. Но и он был бесполезным из-за непродуманной схемы расположения зенитных батарей. Находясь непосредственно у охраняемых объектов или вообще на их территории, они создавали наибольшую плотность огня прямо над ними, а не на подходах.

Имевшиеся станции орудийной наводки использовались плохо, вследствие отсутствия практических навыков такой стрельбы. Зенитчица Пелагея Паршина вспоминала: «Командование постоянно учило нас, что сбивать идущий над городом бомбардировщик нельзя, надо его отгонять, не дать сбросить бомбы». Таким образом, рядовым артиллеристам буквально вдалбливали, что заградительный огонь является эффективнейшим средством противовоздушной обороны.

Попутно выяснилось, что работе РЛС РУС-2с в Сейме «мешает» высокий правый берег Оки, как будто этот факт нельзя было установить раньше, в ходе учений.

У летчиков 142-й ИАД дела тоже пошли наперекосяк. Командир дивизии полковник Иванов во время налета находился в нетрезвом состоянии, и командование пришлось принять его заместителю Ковригину. В воздух были подняты лишь 12 ночных истребителей, распределившихся по своим «зонам патрулирования».

В 23.40 взлетел и самолет капитана Шилова. По словам летчика, патрулируя западнее Горького на высоте 2700 м, он на светлой части неба заметил силуэт бомбардировщика, идущего на Горький, которого опознал не иначе как «Фокке-Вульф-200». Далее Шилов пошел на сближение с противником и на встречных курсах с дистанции 200 м под ракурсом 1/4 произвел первую атаку, открыв огонь из пушек. Призрак «Кондора», развернувшись влево, стал уходить от истребителя.

Дальнейшие события советский летчик так описал в своем рапорте: «Оказавшись в хвосте бомбардировщика, произвел вторую атаку слева, снизу под ракурсом 1/4, дав длинную очередь из всех огневых точек с дистанции 30—50 м. В это время стрелок-радист бомбардировщика открыл неприцельный огонь. После второй атаки на бомбардировщике противника задымился мотор и показалось пламя, он стал уходить на большой скорости со снижением».

Продолжая преследование, Шилов, по его словам, произвел еще четыре атаки. При шестой попытке на его «ЛаГГе» отказало вооружение, тогда летчик принял решение идти на таран, но в ту ночь ему явно не везло. В момент сближения с бомбардировщиком в районе поселка Володары истребитель был пойман лучами прожекторов, и ослепленный ими капитан Шилов противника потерял.