Построенная почти за столетие до начала Великой Отечественной войны (возведение основных укреплений было завершено к 1842 г.), крепость давно утратила в глазах военных стратегическое значение, поскольку не считалась способной выдержать натиск современной артиллерии. Как следствие, объекты комплекса служили, в первую очередь, для размещения личного состава, который в случае войны должен был держать оборону за пределами крепости. При этом план по созданию укрепленного района, учитывавший новейшие достижения в области фортификации, по состоянию на 22 июня 1941 г. не был полностью реализован.

На момент начала Великой Отечественной войны гарнизон крепости состоял в основном из подразделений 6-й и 42-й стрелковой дивизий 28-го стрелкового корпуса РККА. Но он существенно сократился ввиду участия многих военнослужащих в плановых учебных мероприятиях.

Операция немцев по захвату крепости была начата мощной артиллерийской подготовкой, разрушившей значительную часть строений, уничтожившей большое число бойцов гарнизона и поначалу заметно деморализовавшей уцелевших. Противник быстро закрепился на Южном и Западном островах, а штурмовые отряды появились на Центральном острове, однако не сумели занять казармы в Цитадели. В районе Тереспольских ворот немцы встретили отчаянную контратаку советских бойцов под общим командованием полкового комиссара Е.М. Фомина. Авангардные подразделения 45-й дивизии вермахта понесли при этом серьезные потери.

Выигранное время позволило советской стороне организовать упорядоченную оборону казарм. Гитлеровцы вынуждены были оставаться на занятых позициях в здании армейского клуба, откуда некоторое время не могли выбраться. Огнем были остановлены и попытки прорыва подкрепления противника по мосту через Мухавец в районе Холмских ворот на Центральном острове.

Помимо центральной части крепости постепенно росло сопротивление в других частях комплекса зданий (в частности, под командованием майора П.М. Гаврилова на северном Кобринском укреплении), причем бойцам гарнизона благоприятствовала плотная застройка. Из-за нее враг не мог вести прицельный артиллерийский огонь с близкого расстояния, не подвергаясь опасности самому быть уничтоженным. Располагая только стрелковым оружием и незначительным числом артиллерийских орудий и бронетехники, защитники крепости пресекли продвижение противника, а в дальнейшем, когда немцы осуществили тактическое отступление, заняли оставленные противником позиции.

Вместе с тем, несмотря на провал быстрого штурма, за 22 июня силам вермахта удалось взять всю крепость в кольцо блокады. До ее установления покинуть крепость и занять предписанные оборонительными планами рубежи сумело, по некоторым оценкам, до половины списочного состава размещенных в комплексе частей. С учетом потерь за первый день обороны, в итоге крепость защищали порядка 3,5 тыс. чел., блокированных в разных ее частях. Как следствие, каждый из крупных очагов сопротивления мог рассчитывать только на материальные ресурсы в непосредственной близости от себя. Командование объединенными силами защитников было возложено на капитана И.Н. Зубачева, заместителем которого стал полковой комиссар Фомин.

В последующие дни обороны крепости противник упорно стремился занять Центральный остров, но встречал организованный отпор гарнизона Цитадели. Только 24 июня немцам удалось окончательно занять Тереспольское и Волынское укрепления на Западном и Южном островах. Артиллерийские обстрелы Цитадели чередовались с налетами авиации, в ходе одного из которых винтовочным огнем был сбит немецкий истребитель. Защитниками крепости также были подбиты не менее четырех вражеских танков. Известно о гибели еще нескольких немецких танков на импровизированных минных заграждениях, установленных красноармейцами.

Против гарнизона противником применялись зажигательные боеприпасы и слезоточивый газ (в распоряжении осаждающих имелся полк тяжелых химических минометов).

Не менее опасной для советских солдат и гражданских лиц, находившихся с ними (в первую очередь, жен и детей офицеров), оказалась катастрофическая нехватка еды и питья. Если расход боеприпасов удавалось компенсировать за счет уцелевших арсеналов крепости и трофейного оружия, то потребности в воде, продовольствии, медикаментах и перевязочных материалах удовлетворялись на минимальном уровне. Водоснабжение крепости было разрушено, а ручной забор воды из Мухавца и Буга был практически парализован огнем противника. Ситуация дополнительно осложнялась непрекращающейся сильной жарой.

На начальном этапе обороны идея пробиться за пределы крепости и соединиться с основными силами была оставлена, поскольку командование защитников рассчитывало на скорый контрудар советских войск. Когда эти расчеты не оправдались, начались попытки прорыва блокады, однако все они завершились неудачей из-за подавляющего превосходства частей вермахта в живой силе и вооружении.

К началу июля, после особенно масштабной бомбардировки и артиллерийского обстрела, противнику удалось захватить укрепления на Центральном острове, уничтожив тем самым главный очаг сопротивления. С этого момента оборона крепости утратила целостный и скоординированный характер, и борьбу с гитлеровцами продолжали уже разрозненные группы в разных участках комплекса. Действия этих групп и одиночных бойцов приобретали все больше черт диверсионной активности и продолжались в ряде случаев до конца июля и даже до начала августа 1941 г. Уже после войны в казематах Брестской крепости была найдена выцарапанная кем-то из советских защитников надпись «Я умираю, но не сдаюсь. Прощай Родина. 20 июля 1941 г.»

Большинство уцелевших защитников гарнизона попали в немецкий плен, куда еще до прекращения организованной обороны были отправлены женщины и дети. Комиссар Фомин был расстрелян немцами, капитан Зубачев умер в плену, майор Гаврилов пережил плен и был уволен в запас в ходе послевоенного сокращения армии. Оборона Брестской крепости (после войны получила звание «крепости-героя») стала символом мужества и самопожертвования советских солдат в первый, самый трагический период войны.