Советское командование решило ввести в сражение 11-ю гвардейскую армию Галицкого. 16 апреля Василевский приказал 11-й армии сменить войска 2-й гвардейской армии и 18 апреля начать наступление на Пиллау и косу Фрише-Нерунг. 5-ю, 39-ю и 43-ю армии также вывели в резерв фронта.
Командование 11-й гвардейской армии решило нанести удар по внешним флангам противника, прорвать его оборону и развить наступление вторыми эшелонами корпусов. К концу второго дня, при поддержке морских десантов, планировали взять Пиллау. В ночь на 17 апреля дивизии 16-го и 36-го гвардейских стрелковых корпусов начали выдвижение на исходное положение.
Пиллаусский полуостров имел длину около 15 км и ширину от 2 км у основания до 5 км у южной оконечности. Немецкие войска возвели здесь шесть оборонительных позиций, которые располагались одна от другой в 1-2 км. Здесь были и доты с броневыми колпаками. На северной окраине Пиллау располагалось четыре крепостных форта и морская крепость, на северном берегу косы Фрише-Нерунг — два форта. Выяснив, что противник имеет серьёзную оборону, начало нового наступления перенесли на 20 апреля. 18 апреля советские войска провели разведку боем. 19 апреля разведка продолжалась. Выяснилось, что перед нами стоят части трех-четырех дивизий, которые поддерживают около 60 артиллерийских и минометных батарей, до 50-60 танков и САУ, несколько боевых кораблей с рейда Пиллау и моря.
В 11 час. 20 апреля 1945 г. 11-й гвардейская армия перешла в наступление. Однако, несмотря на сильную артподготовку (600 стволов) и авиационную поддержку (более 1500 самолето-вылетов), сразу сломить оборону противника не вышло. Наши войска продвинулись только на 1 км, захватив 2-3 линии траншей. На второй день операции ситуации не улучшилась. Позиции противника были скрыты лесом, что затрудняло действия артиллерии, а огонь по площадям давал небольшой эффект. Немцы обороняли последний опорный пункт в Восточной Пруссии с особым упорством, переходили в контратаки силами до батальона пехоты при поддержке танков и штурмовых орудий. На второй день погода ухудшилась, что снизило активность нашей авиации. Кроме того, силы немецкой группировки недооценили, посчитав, что после разгрома земландской группировки победа уже обеспечена.
22 апреля на левом фланге армии был введён в бой 8-й гвардейский корпус. На третий день ожесточенных боев немцев потеснили на 3 км. Немецкое командование бросало в бой остатки ранее разбитых дивизий, все имеющиеся под рукой части и подразделения. Узкая линия обороны была до предела насыщена огневыми средствами, что затрудняло продвижение наших войск. На каждые 100 метров в среднем приходилось по 4 пулемета и 200 солдат с автоматическим оружием. Здесь немцы имели железобетонные и бронированные доты, бетонные площадки для тяжелых орудий, в том числе калибра 210 мм. Немецкую оборону приходилось буквально «прогрызать», метр за метром. И чем ближе советские войска приближались к Пиллау, тем больше становилось долговременных сооружений. Все каменные постройки Пиллау и его пригородов, где почти не было деревянных строений, были приспособлены к обороне. Иные крупные строения были настолько хорошо подготовлены к защите, что почти не отличались от крепостных фортов. На нижних этажах устанавливали орудия, позиции противотанковых гранатометов, на верху — пулеметные гнёзда. Крепость имела трехмесячный запас и могла долго держаться в осаде. Немцы постоянно контратаковали, все строения приходилось брать штурмом. Соотношение сил, особенно в плохую погоду, когда авиация бездействовала, было почти равным.
Поэтому бои носили крайне ожесточенный и упорный характер. 22 апреля 1945 года, на подступах к Пиллау, погиб герой штурма Кёнигсберга, храбрый командир 16-го гвардейского стрелкового корпуса генерал-майор Степан Савельевич Гурьев. С. С. Гурьев начал службу красноармейцем в годы Гражданской войны, уже как командир полка участвовал в боях с японскими войсками в районе реки Халхин-Гол. Воевал с начала Великой Отечественной войны. Был командиром 10-й воздушно-десантной бригады, затем командовал 5-м воздушно-десантным корпусом, отличившись в боях под Москвой. Храбро и умело руководил 39-й гвардейской дивизией в битве за Сталинград. Затем командовал 28-м и 16-м гвардейскими корпусами. За умелое руководство войсками и личную храбрость при штурме Кёнигсберга ему было присвоено звание Героя Советского Союза. В 1946 году в Калининградской области город Нойхаузен переименовали в честь погибшего героя в Гурьевск и образовали Гурьевский район.
Надо сказать, что в этой операции чуть не погиб и сам маршал Василевский. Он выехал на наблюдательный пункт армии в Фишхаузен, район которого регулярно обстреливала вражеская артиллерия, и попал под огневой налет. Машина Василевского была разбита и он сам по счастливой случайности уцелел.
24 апреля наши войска, несмотря на отчаянное сопротивление врага, бросившего в бой наиболее боеспособные части, включая морскую пехоту, поддержанную танками, взяли Нойхозер. Упорный бой за этот опорный пункт, прикрывавший подступы к Пиллау, длился почти сутки. В ночь на 25 апреля наши войска обошли морскую крепость с востока, на правом фланге завязали бой на ближних подступах к Пиллау. 25 апреля советские войска начали штурм Пиллау. Немецкое командование понимало, что крепость обречена, но старалось выиграть время, чтобы эвакуировать как можно больше войск морем или на косу Фрише-Нерунг. Кроме того, упорной обороной Пиллау хотели хоть как-то повлиять на развитие ситуации на берлинском направлении. Сам гарнизон крепости был небольшим, но в город отошло значительное число полевых войск и различных штабов. Гарнизон Пиллау поддерживала крепостная и полевая артиллерия с северной части косы Фрише-Нерунг и артиллерия 8-10 боевых кораблей и морских катеров.
Командарм Галицкий приказал 16-му гвардейскому корпусу взять крепость на юго-западной оконечности полуострова, с ходу форсировать пролив Зеетиф и занять плацдарм на косе Фрише-Нерунг; 36-му корпусу занять юго-восточный район города и также форсировать пролив; 8-му корпусу — освободить восточную гавань и преодолев пролив, захватить опорный пункт Нойтиф (там располагалась немецкая авиабаза).
25 апреля советские войска, имевшие богатый опыт городских боев и особенно штурма Кёнигсберга, очистили окраины и прорвались к центру города. Штурмовые группы брали здания, пробивали в стенах бреши, подрывали особо укрепленные дома и шаг за шагом брали Пиллау. За немцами осталась только прибрежная часть в юго-западном районе города и крепость. 26 апреля взяли и крепость Пиллау. Модернизированная старая крепость, имевшая 1-тыс. гарнизон, не поддавалась среднекалиберной артиллерии. Многометровые кирпичные стены и арочные перекрытия выдерживали попадания снарядов средних и даже крупных калибров. Ворота были заложены кирпичами и бетонными блоками. Форма крепости в виде многолучевой звезды позволяла вести фланкирующий огонь. Сильным артиллерийско-пулеметным огнем из многочисленных амбразур немцы отбрасывали наши войска. Ультиматум о капитуляции гарнизон отверг. Только подтянув десятки орудий тяжелых калибров, танки 213-й бригады и тяжелые САУ с 152-мм орудиями, сосредоточенным огнем вражескую оборону смогли ослабить. Ворота и баррикады были сметены. С наступлением темноты бойцы 1-й гвардейской стрелковой дивизии пошли на решительный штурм. Гвардейцы, завалив 3-метровый ров фашинами, досками и различными подручными средствами, вышли к стенам и стали взбираться на стены по лестницам, ворвались в проломы. Внутри крепости начался ближний бой с применением гранат, толовых шашек и огнеметов. После яростной схватки, уничтожаемый немецкий гарнизон стал сдаваться.