22 июня 1941 года город подвергся первой бомбардировке немецкой авиации, целью которой было минировать с воздуха бухты, блокировать флот. План был сорван зенитной и корабельной артиллерией Черноморского флота. После вторжения немецкой армии в Крым началась оборона города, продолжавшаяся 250 дней (30 октября 1941—4 июля 1942). 4 ноября 1941 года Ставка Верховного Главнокомандования создала Севастопольский оборонительный район. Советские войска Приморской армии (генерал-майор И. Е. Петров) и силы Черноморского флота (вице-адмирал Ф. С. Октябрьский) отразили в ноябре и декабре 1941 года два крупных наступления 11-й армии Манштейна, сковав крупные силы противника. Перестройкой всей жизни города на военный лад, работой для фронта севастопольских предприятий руководил Городской комитет обороны (ГКО), председатель — первый секретарь Севастопольского горкома ВКП(б) Б. А. Борисов.
Под Севастополем развернулось активное партизанское движение, в которое включились пионеры и комсомольцы. Среди них были Валерий Волков и Вилор Чекмак.
В июне—июле 1942 года гарнизон Севастополя, а также войска, эвакуированные из Одессы, четыре недели оборонялись против превосходящих сил противника. Город был оставлен советскими войсками, лишь когда возможности обороны были исчерпаны. Это случилось 9 июля 1942 года. По планам нацистов, город должен был быть переименован в Теодорихсхафен (нем. Theoderichshafen), однако эти планы не были осуществлены. В 1942—1944 севастопольским подпольем руководил участник обороны города В. Д. Ревякин. 7 мая 1944 войска 4-го Украинского фронта (ген. армии Ф. И. Толбухин) начали штурм немецких оборонительных укреплений на Сапун-горе, и 9 мая освободили город. 12 мая от остатков немецких войск был очищен мыс Херсонес.
Приказом Верховного главнокомандующего от 1 мая 1945 года № 20 Ленинград, Сталинград, Севастополь и Одесса были названы городами-героями.
