К середине дня 21 сентября для отражения налётов к Кронштадту была направлена 61-я истребительная авиабригада ВВС Балтийского флота (19 машин), но она прибыла слишком поздно.
На следующий день налёт повторился силами 38 бомбардировщиков Ju 88 из 4-й группы 77-й бомбардировочной эскадры, атаковавших как Кронштадт, так и Торговый порт Ленинграда. В последнем был потоплен сторожевой корабль «Вихрь», повреждены эсминец «Сильный» и плавбаза «Смольный», в Кронштадте был нанесён серьёзный ущерб территории Морского завода. Тем временем 21 сентября в Лугу прибыли доставленные из Германии 1000-кг бронебойные бомбы PC1000RS (в общей сложности около 10 штук). Каждая такая бомба 1,5 м в длину (с оперением — 2,17 м), 0,5 м в диаметре и несла 160 кг взрывчатого вещества. Корпус был изготовлен из кованой стали, его толщина составляла 38 мм, а в носовой части достигала 340 мм.
Проблема состояла в том, что самолётами Ju 87 такие бомбы в боевой обстановке ещё не использовались — эксперименты по их сбрасыванию с пикирования проводились лишь на полигоне. Тем не менее два пилота эскадры «Иммельман» всё же решились подняться с ними в небо — это были командир 3-й бомбардировочной группы гауптман Штеен и его ведомый обер-лейтенант Рудель.
Первый налёт состоялся 23 сентября в 10 часов утра, в нём участвовали около тридцати Ju 88 из 77-й бомбардировочной эскадры. Зенитная артиллерия Кронштадта открыла огонь, но воздушное прикрытие главной базы Балтийского флота было чрезвычайно слабым — всего шесть истребителей (основные силы авиации находились на защите Ленинграда). Основной целью атаки стал Морской завод, подвергшийся новым разрушениям.
Около 11 часов налёт повторился — теперь это были 30 пикировщиков Ju 87 из эскадры «Иммельман» под прикрытием «Мессершмиттов» из 54-й истребительной эскадры, шедшие со стороны Петергофа. Четвёртая башня «Марата» дала по ним залп шрапнельными снарядами, после чего группа немецких самолётов разделилась и с разных сторон атаковала линкор, начав пикирование с высоты около 3000 м. Обычно пикировщики сбрасывали бомбы с полутора километров, но Штеен и Рудель, обрушившись на «Марат», выпустили свои бомбы с высоты менее полукилометра.
Считается, что Штеен промахнулся, а в «Марат» попала бомба Руделя. Она угодила в палубу линкора между первой башней и носовой пагодообразной мачтой-надстройкой, пробила обе бронепалубы и взорвалась в артиллерийском погребе главного калибра. Раздался страшной силы взрыв, облако дыма поднялось на высоту более километра. П.Д. Грищенко, командир стоявшей неподалёку подлодки Л-3, вспоминал:
«Сплошной огонь охватил корабль в несколько секунд. Вслед за этим — оглушительные взрывы, один, второй. Огромные клубы дыма и огня окутали носовую часть линкора, снова два взрыва. Отчётливо видно, как массивная металлическая фок-мачта со всеми надстройками, мостиками и площадками, сплошь заполненными фигурами в белых матросских робах и синих командирских кителях, медленно отделяется от линкора и, на лету разваливаясь, с грохотом падает в воду. Полностью исчезла носовая часть корабля, а с ней и орудийная башня с тремя 12-дюймовыми орудиями».
Сила взрыва была такова, что вторая башня, развёрнутая на правый борт, подскочила, а затем рухнула на прежнее место, сорвав верхнюю часть погона и заклинившись. Её 8-метровый дальномер оказался заброшен на крышу четвёртой башни.