Не надеясь на защиту со стороны летчиков и зенитчиков, заводской штаб МПВО приказал бойцам истребительного батальона брать винтовки, лезть на крыши корпусов и «отражать налет». Среди них был и Рафаил Ривин: «После первой бомбежки я сразу же схватилвинтовку (это был польский карабин) и побежал на свой пост. Другие бойцы истребительного батальона притащили ящики с патронами и, набив ими карманы, полезли на крыши цехов отражать налет тем, что у нас было». Теперь уже повсюду тревожно гудели электро-сирены, где-то вдалеке отрывисто палили зенитки, по улицам, звоня в колокольчики, мчались пожарные машины. Пришли в движение и силы ПВО. С аэродромов Сейма и Арзамас были подняты истребители, в район автозавода прибыло и дежурное звено авиаотряда майора Алифанова. Но немецкие самолеты больше не появлялись.
Последствия дневного налета оказались ужасными. В Ворошиловском районе, на радиотелефонном заводе им. Ленина, погиб 101 человек, в т.ч. почти весь руководящий аппарат. Еще 190 рабочих получили ранения и контузии. Многие другие оказались под завалами. В подвале разрушенного главного корпуса были засыпаны члены штаба МПВО во главе с секретарем парткома П. П. Шумским. Спасательные работы начались почти сразу после взрыва, но затем растянулись на несколько дней. К счастью, вскоре в завале удалось проделать небольшое отверстие, через которое пострадавшим подавали воду и пищу.
На ГАЗе дела обстояли не лучше. Если ТЭЦ чудом уцелела в ходе бомбежки, то ремонтно-механический цех, выпускавший 82-мм минометы, представлял печальное зрелище. Взрывной волной вышибло все остекление производственной части корпуса и соседней кузницы № 2, в нескольких местах был проломлен пол, обрушились около 400 кв. м внутрицеховых перегородок, были уничтожены 45 единиц оборудования, а также инструменты, материалы, полуфабрикаты, готовые минометы, техническая документация и запчасти. Непосредственно над местами взрывов обвалились железобетонные плиты перекрытий. Повсюду среди обломков валялись изуродованные трупы рабочих, части тел и окровавленные ошметки спецодежды. Кроме того, была разрушена силовая электроподстанция, во многих местах порван силовой кабель. Пострадало и расположенное неподалеку здание главного магазина (склада) смежных деталей.
Руководству завода № 718 «Двигатель революции» сразу после налета стало ясно, что в результате бомбежки предприятие выведено из строя. Вследствие полного разрушения силовой станции прекратилась подача электроэнергии и отопления. Вместе с этим взрывная волна выбила практически все стекла во всех световых переплетах и фонарях, что при стоящей минусовой температуре на улице грозило замерзанием и разрывом труб. Поэтому пришлось срочно отдать приказ о спуске всей воды из отопительной системы. Во время бомбежки на территории завода погибли 17 человек, еще 46 получили ранения. Среди погибших оказались начальник цеха № 8 Зуев и помощник начальника 2-го механического цеха Сидоров.
Прошло полчаса. В Горьком стало быстро темнеть, но пламя от пожаров ярко освещало заречную часть города. И тут, в 17.12 по местному времени, начался новый, уже четвертый задень налет. С юго-запада появились два «Хейнкеля» и вновь атаковали автозавод им. Молотова. Однако темнота и дым от пожаров затруднили штурманам бомбардировщиков прицеливание. В итоге большинство сброшенных ими бомб упали на пустырях между заводскими корпусами. Три сильных взрыва прогремели между моторным цехом № 1, КЭО и колесным цехом, выбив стекла и оконные рамы в этих зданиях. Возле деревообделочного цеха № 1 взорвались девять фугасных и осколочных бомб разных калибров. В результате обвалилась часть светового фонаря корпуса, в трех местах было разрушено шоссе, а также траверсный путь на протяжении 15 м. Около здания загорелся бак с двумя тоннами растворителя, разбило три трансформатора. Рядом с механическим цехом № 3 упала одна бомба SC50. Она повредила три метра рельсов и паропровод. При этом вышибло почти все стекла с восточной стороны здания.
На этот раз эффекта внезапности уже не было и немцам не удалось действовать беспрепятственно. Подходящие к городу и возвращающиеся на запад бомбардировщики были атакованы истребителями. В бой смело ринулись и три ЛаГГ-3 авиаотряда майора Алифанова. Однако все их атаки оказались безуспешными, в то же время бортстрелки «Хейнкелей» сбили один и повредили два самолета. ЛаГГ-3 с заводским номером №31217-71 совершил вынужденную посадку на брюхо в районе г. Богородска. У него были прострелены лопасти винта, крылья, фюзеляж и даже топливный бак. Всего механики насчитали в чудом приземлившемся самолете около 50 отверстий от пуль.
В Дзержинске тоже постоянно выли гудки воздушной тревоги, защищавшие город зенитки вели заградительный огонь. Поначалу жители видели лишь самолеты, пролетавшие в сторону Горького и обратно, но ближе к вечеру один из «Хейнкелей» внезапно изменил курс и сбросил две фугасных бомбы на химический завод № 96. После этого он прошел на бреющем полете над позициями зенитных батарей в районе поселка Игумново и обстрелял их из пулеметов. В результате был убит командир батареи 583-го ЗенАП лейтенант Васильев.
В 17.30 жители Автозаводского района опять увидели в темнеющем небе уже знакомый силуэт немецкого самолета, летящего в сторону ГАЗа. Пройдя над горящим заводом, он сбросил три 70-кг бомбы на монтажный цех. Две из них взорвались рядом с корпусом, выбив почти все остекление и разрушив часть железнодорожного пути, третья попала в отходы металла. После этого «Хейнкель» развернулся и со второго захода отбомбился по «Двигателю революции». Одна фугасная бомба взорвалась на железнодорожных путях между литейным цехом и силовой станцией, три – в юго-западной части завода у щелей укрытия. Четыре взрыва прогремели около станкозавода на ул. Шоссейной (ныне ул. Баумана). Еще четыре неразорвавшиеся фугаски были позднее обнаружены у нефтяных баков, около амбулатории и в поселке Карповка.
Через 20 минут над Горьким появился еще один самолет, сбросивший на автозавод очередную 1000-кг бомбу. Однако немецким летчикам вновь не удалось добиться прямого попадания. Мощнейший взрыв прогремел между ковочным цехом и цехом паровых молотов кузнечно-рессорного корпуса. Были разрушены двадцать метров железной дороги и выбита треть остекления здания.
В 18.00 для жителей города наступило долгожданное затишье. Сотни людей бросили работу и устремились к своим домам, дабы убедиться в том, что их родственники живы, а имущество не пострадало. Между тем милиция во время бомбежки в соответствии с имеющейся инструкцией перекрыла движение по Окскому мосту. А он являлся единственной коммуникацией, связывавшей заречную часть города с нагорной. В итоге на обеих сторонах скопились огромные толпы народа, жаждавшие перебраться на другой берег. Милиционеры же на все вопросы отвечали: «Пустим, когда отменят тревогу». К вечеру количество волнующихся и кричащих людей достигло таких размеров, что удерживать эту массу стало попросту невозможно. В итоге проход пришлось открыть, и две огромные лавины ринулись навстречу друг другу. Самое страшное произошло когда толпы горьковчан достигли середины моста, высоко вздыбленной над рекой. Началась жуткая давка, многие стали падать, остальные не обращали на это никакого внимания и шли прямо по людям. Милиционеры же лишь пассивно наблюдали за происходящим со своих постов. Точное число пострадавших в этой давке осталось неизвестным.
