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:
— взрыв был внешним;
— взрыв был донным, т.е. взрывчатое вещество не было прикреплено к корпусу корабля, а находилось на дне моря;
— оценивая объем разрушений, причиненных корпусу корабля, взрыв имел силу, эквивалентную 1—2 тоннам динамита.
Государственная комиссия сначала сделала вывод, что причиной взрыва послужили немецкие мины (тип «R»), остававшиеся на дне со времен Второй мировой войны. Признав также, что безопасность севастопольской бухты с 28 на 29 октября оставляла желать лучшего, государственная комиссия отметила, что нельзя исключать и подводный диверсионный акт саботажа.
Офицеры с других кораблей, базировавшихся в Севастополе, и бывшие очевидцами катастрофы, в неофициальной обстановке говорили о том, что причиной взрыва послужила внешняя детонация заряда взрывчатого вещества, заложенного итальянцами между старым корпусом и новым упрочненным носом (что, по слухам, было сделано перед передачей линкора Советскому Союзу). Другие настаивали на двойном взрыве: внешний взрыв, который инициировали подводные пловцы, и последовавшая за ним детонация заряда, заложенного внутри корабля итальянцами. Некоторые утверждали, что взрывчатое вещество было нанесено тонким слоем между двумя обшивками корабля. Было также предположение, что взорвалась целая гирлянда немецких донных мил, остававшихся в бухте со времен войны, эти мины были якобы активированы в тот вечер опусканием якоря левого борта линкора при постановке корабля на бочку.
Муру всю жизнь посвятил изучению катастрофы линкора и операции по его спасению. Цензоры советского ВМФ блокировали любую попытку напечатать материал его исследований, и, как говорит Муру, точно так же поступают сегодня в Санкт-Петербурге бюрократы старой школы, которые препятствуют огласке подробностей военно-морских катастроф советского периода.
Как письменно свидетельствует Муру, вся ответственность за катастрофу лежит на адмирале С. Горшкове. По мнению Муру, причиной взрыва явилось внешнее воздействие на гирлянду немецких донных мин, вызванное якорем левого борта линкора. После того, как примерно в 18:30 накануне дня катастрофы линкор вернулся в бухту из похода и стал швартоваться, по приказу командира корабля был сброшен якорь левого борта, который должен был обеспечить швартовку линкора у буя № 3. На дно, которое представляло собой жидкую грязь поверх твердой шины, ушло примерно пять с половиной метров цепи.