После серии взрывов была проведена авиационная бомбардировка. Для выполнения этой задачи привлекалось 25 самолетов Пе-2 из 12-го Гвардейского авиаполка 8-й минно-торпедной авиадивизии (все имевшиеся исправные самолеты полка). Правда, вместо требовавшихся 156 авиабомб П-50 удалось «наскрести» только 100, поэтому в ударе по авианосцу приняли участие только 24 бомбардировщика Пе-2. Удары обеспечивали два самолета Catalina, один из которых, находясь над целью, наводил на нее ударную группу, а второй работал в поисково-спасательном режиме. Чтобы бомбардировщики уж наверняка не спутали свою цель с другим кораблем, на палубе авианосца был нарисован белый крест размерами 20 х 20 метров.
Переход авианосца из Штеттина в Готенхафен в ноябре 1941 г.
Бомбометание проводилось с высоты 2000 м, всего на авианосец было сброшено 88 П-50 (три самолета вынуждены были аварийно избавиться от бомб). Результат воздушного налета на крупный неподвижный корабль оказался удручающим — в него попало всего шесть бомб. К тому же используемые бомбы П-50 оказались слишком маломощными и не наносили существенных повреждений (вмятины в палубе глубиной 5 — 10 см).
На следующий день — 17 августа — были запланированы испытания по воздействию подводного оружия (мин и торпед), однако усилившийся ветер (до пяти — шести баллов) начал сносить плохо закрепленный авианосец в район мелководья. Возникла реальная угроза того, что его не удастся затопить на большой глубине (в начале испытаний она составляла 113 м, а концу первого этапа — уже 82 м). Поэтому вице-адмирал Ю.Ф.Ралль, командовавший испытаниями, принял решение прекратить эксперименты и быстро добить авианосец торпедами. Эту задачу должны были выполнить вызванные из Балтийска торпедные катера ТК-248, ТК-425 и ТК-503, а также эсминцы «Славный», «Строгий» и «Стройный».
Первая атака катера ТК-248 оказалась безуспешной — торпеда, не взорвавшись, прошла под килем авианосца. Следующая торпеда (с ТК-503) попала в правый буль, но находившийся за ним броневой пояс оказался неповрежденным. Третья торпеда, выпущенная с эсминца «Славный», попала в правый борт в районе носового самолетоподъемника, где ниже ватерлинии не было ни булей, ни другой подводной конструктивной защиты. Через 15 минут крен авианосца на правый борт достиг 25 градусов, одновременно увеличивался и дифферент на нос. Спустя еще восемь минут Graf Zeppelin затонул с креном 90 градусов и дифферентом на нос 25 градусов.
Всего в ходе испытаний на корабле взорвали 24 заряда: две ФАБ-1000, две ФАБ-500, три фАб-250, пять ФАБ-100, четыре 180-мм артиллерийских снаряда (массой 92 кг), при бомбометании в него попало шесть учебных авиабомб, при атаке катеров и эсминцев — две 533-мм торпеды.
Результаты испытаний, проводившихся с трофейными немецкими кораблями, были засекречены, поэтому союзникам сообщили лишь о факте уничтожения авианосца без указания координат его затопления. Естественно, что отсутствие официальной информации породило разнообразные предположения о его истинной судьбе. Так, наибольшую известность получила версия немецкого адмирала Ф.Руге, состоявшая в том, что во время буксировки из Германии в советский порт Graf Zeppelin, перегруженный вывозимыми в СССР «трофеями», перевернулся в результате смещения палубного груза листовой стали и затонул.
Казалось бы, Graf Zeppelin канул в безвестность, на чем и окончилась история первого и единственного немецкого авианосца, который до ввода в строй французского Clemenceau в декабре 1957 года оставался также и самым крупным авианосцем, построенным на Европейском континенте. Однако судьба распорядилась по-иному — в 2006 году мир облетела новость, что Graf Zeppelin найден!
11 июля 2006 года исследовательское судно St. Barbara, принадлежащее польской компании Petrobaltic, специализирующейся на разведке и эксплуатации газовых и нефтяных месторождений на морском шельфе (компании принадлежало семь судов, в том числе и одно исследовательское, а также три морские платформы — одна буровая и две эксплуатационные), осуществляло рутинные промеры глубин в районе эксплуатационной платформы Baltic Beta. Исследования, проводимые судном, должны были уточнить карту дна в этом районе, где, как предполагалось, мог находиться потенциально опасный объект (здесь в течение многих лет рвались рыбацкие сети), который мог представлять собой определенную угрозу для эксплуатационной платформы (например, в случае его перемещения по дну под воздействием штормов).