Советский экипаж доверял слухам о кознях итальянцев и старался все проверить. Наконец, 26 февраля, после долгой задержки, костяк экипажа осторожно повел могучий линкор через восточное Средиземноморье, Мраморное море, Дарданеллы и Босфор в Севастополь, главную базу Черноморского флота. Население блистающего белого города, жемчужины Крыма, на восемьдесят пять процентов состояло из русских, которые были окружены морем украинцев и татар. 5 марта корабль получил новое имя, «Новороссийск», и встал в северный сухой док Севастополя для срочного ремонта. Специалисты были в шоке от осмотра корабля. Их не столько поразили действительно элегантные контуры подводной части «Новороссийска», сколько сильнейшие наросты микроорганизмов на подводной части корпуса, возникшие после многих лет пребывания в теплых средиземноморских водах без единой постановки в сухой док. Катушки размагничивания корабля оказались сильно корродированными и в очень плохом состоянии. Тем не менее в августе того же года «Новороссийск» принял участие в маневрах флота. Москва хотела, чтобы НАТО не оставило без внимания выход корабля в море. На самом деле потребовалось еще шесть лет, чтобы провести на нем восемь доработок и установить двадцать четыре 37-мм пушки, оборудование связи, РЛС и турбины, изготовленные в Харькове. В мае 1955 г. корабль вернулся на флот. В октябре он принимал участие в учениях, затем вернулся в порт и 28 октября, накануне драмы, встал на якорь.

Капитан первого ранга в отставке доктор технических наук Н.П. Муру написал воспоминания, своего рода отчет из первых рук, о спасении после взрыва. Он был среди тех на борту линкора, кого спасли, а в 1956 г. участвовал в комплексной операции по подъему линкора. В молодые годы Муру служил на офицерских должностях на многих кораблях. Он получил известность, будучи инженером эскадры, которого часто приглашали на помощь другим инженерам для устранения различных проблем по корабельным механизмам. Его поразительная способность находить нестандартные решения при сложных повреждениях механизмов и, в особенности, при повреждениях в подводной части корабля и в борьбе за живучесть, вскоре принесла ему репутацию в масштабах флота и должность в Ленинградском ордена Ленина Высшем военно-морском инженерном училище имени Дзержинского. Он участвовал во многих известных спасательных операциях, таких, как подъем в 1969 г. пропавшей дизельной подводной лодки «С-80» и в попытке подъема и последующем уничтожении ракетного эсминца «Отважный», который взорвался и затонул на Черном море в октябре 1974 г. Будучи капитаном 1-го ранга, последние восемь лет службы, а потом еще десять лет в качестве служащего ВМФ — вплоть до обязательного увольнения из ВМФ в возрасте шестидесяти пяти лет — он преподавал молодым флотским инженерам две дисциплины: остойчивость кораблей и борьба за живучесть.

В 01:30 команда линкора была разбужена мощным толчком, вызванным сильным взрывом на носу корабля. Толчок потряс весь корабль от форштевня до кормы. Моряки с крейсеров, стоявших невдалеке, заметили, что взрыв сопровождался вспышкой света и выбросом сильного дыма черного цвета. Позднее было установлено, что причиной вспышки было возгорание бензина в катере командира линкора, а сильный дым на самом деле представлял из себя большое количество ила, поднятого вертикально вверх со дна моря.

Поначалу подлинную серьезность происшествия осознали только те матросы, которым довелось оказаться в районе взрыва. Те, кто остался в живых после начального взрыва и раздетыми был сброшен со своих коек, отчаянно пытались покинуть быстро заполняемые водой кубрики, покрытые слоем ила и полные дыма и газа. Они лихорадочно пытались пробиться наверх.

Мощный подводный взрыв произошел в носовой части корабля, примерно в 35—40 метрах от форштевня и немного правее осевой линии корабля. Он вызвал разрушение всех продольных палубных настилов на высоту 16,9 метра, от киля до первой надстроенной палубы надстройки. На главной палубе перед первой башней орудий главного калибра образовалась зияющая дыра (размером 14×4 метра, с рваным металлом, выступающим на 2—3 метра по периметру).

Во время взрыва большой объем донного ила был выброшен на бак и палубы под ним. Как было установлено позднее, после обследования водолазами и затем после подъема корабля, взрыв проделал гигантскую дыру площадью 150 квадратных метров в обшивке корабля по его правому борту. Вся поверхность вокруг дыры была покрыта вмятинами и трещинами.

Немедленно после взрыва практически все носовые отсеки и пустоты (от шпангоута № 23 до шпангоута № 50) корабля были затоплены водой. Через отверстия в корпусе морская вода поступала в помещения подготовки боеприпасов и главный артиллерийский погреб. Приняв примерно 3500 кубометров воды, корабль наклонился на нос, и угол наклона постепенно нарастал, поскольку вода через люки на палубе и перегородки проникала в оставшиеся носовые помещения.

Взрыв мгновенно вывел из строя главный генератор. Аварийный дизель-генератор, расположенный в носовой части корабля, также был выведен из строя, и линкор погрузился в полный мрак. Аварийное освещение зажглось только в кормовой части. Благодаря быстрым действиям личного состава инженерной части электропитание было восстановлено в течение 6—8 минут в кормовой части, что обеспечило освещение каждого отсека, за исключением носовых. Аварийные партии со многих соседних кораблей прибыли на помощь экипажу «Новороссийска» сразу же после взрыва. Своих спасателей и офицеров инженерной службы прислали крейсеры «Михаил Кутузов», «Куйбышев», «Фрунзе», «Молотов», «Слава» и «Керчь». Командиры поначалу не осознавали всей опасности ситуации, однако некоторые офицеры пытались организовать буксировку поврежденного линкора (кормой вперед) на ближайшую отмель. Комбинация нескольких факторов — затопление верхних отсеков и отсутствие балластной воды во многих отсеках ниже бронированной палубы — привела к потере начальной поперечной остойчивости корабля и усугубила ситуацию. Старшие инженеры сделали попытку вернуть корабль на ровный киль и опять стали перекачивать мазут из цистерн левого борта на правый. Для того чтобы уменьшить угол наклона носа, была также предпринята попытка перекачки топливного мазута из носовых цистерн в кормовые. Когда угол наклона корабля достиг 18—20 градусов, он быстро наклонился влево и опрокинулся килем вверх. Первоначально над поверхностью воды оставалось около 110 метров кормы. Опрокидывание произошло в четыре часа пятнадцать минут двадцать девятого октября — ровно через два часа и сорок четыре минуты после взрыва. Корабль продолжал проседать в ил бухты и к полуночи 29 октября, через восемнадцать часов после опрокидывания, полностью скрылся под водой.

Большая часть из 608 погибших скончалась при опрокидывании корабля. Около тысячи человек выловили из воды, а некоторым удалось вплавь добраться до Госпитальной Стенки. Много матросов оказались в воздушных мешках в отсеках опрокинутого корабля, и только девять из них были спасены. Еще семеро вышли наружу через проем, прорубленный в днище корабля.

Через десять часов после того, как корабль затонул, в Севастополь прибыла государственная комиссия во главе с адмиралом В.А. Малышевым из инженерного управления. Малышеву этот корабль был знаком: еще в 1946 г. он предлагал И.В. Сталину не принимать линкор в связи с его неудовлетворительным техническим состоянием. Для изучения технических аспектов катастрофы были созданы две группы специалистов: одна изучала сам взрыв, а вторая анализировала действия моряков в борьбе за живучесть корабля. Ответственными за потери человеческих жизней были признаны командующий ЧФ вице-адмирал Пархоменко, командир дивизии контр-адмирал Никольский, временно исполнявший обязанности командира корабля капитан 2-го ранга Хуршудов и член Военного совета ЧФ контр-адмирал Кулаков. Были сняты с должностей и уволены из вооруженных сил главнокомандующий ВМФ Н.Г. Кузнецов, командующий ЧФ вице-адмирал Пархоменко и командир линкора капитан 1-го ранга Кухта. Другие виновные были понижены в званиях и должностях. «Новороссийск» был поднят 4 мая 1957 г. и вскоре пущен на металлолом. Комиссия пришла к следующим выводам: