Модернизация различных систем линкора происходила вплоть до 1955 года.
Вечером 28 октября 1955 года линкор вернулся из похода для участия в празднованиях по случаю 100-летия обороны Севастополя и занял место на бочке № 3 в районе Морского госпиталя.
29 октября в 01:31 под корпусом корабля с правого борта в носу раздался взрыв, эквивалентный 1000—1200 килограмм тротила, насквозь пробивший корпус линкора, вырвавший часть палубы полубака и пробивший в подводной части дыру в 150 квадратных метров.
Поскольку в месте взрыва находились носовые кубрики, сразу погибло от 150 до 175 человек. Взрыв произошёл возле Госпитальной стенки Севастопольской бухты. Линкор пытались отбуксировать на мелководье, но прибывший на корабль командующий Черноморским флотом Виктор Пархоменко приостановил начатую буксировку.
Запоздалое приказание о возобновлении буксировки оказалось бессмысленным, поскольку носовая часть уже села на грунт. Не сразу адмирал позволил и эвакуировать незанятых в спасательных работах моряков, которых на юте скопилось до 1000 человек. Когда решение об эвакуации было принято, крен корабля начал стремительно нарастать. В 04:14 минут линкор лёг на левый борт и через мгновение уткнулся мачтами в грунт.
В 22:00 корпус полностью исчез под водой.
Спасти удалось только 9 человек, 614 погибли. Водолазы перестали слышать стук запертых в корпусе линкора моряков только 1 ноября.
Существует несколько версий причин трагедии. В частности, наиболее вероятной называлась детонация корабельных боеприпасов, однако она отпала, потому что установлено, что взрыв произошел снаружи, а не изнутри судна.
Официально было объявлено, что причиной гибели «Новороссийска» стала донная мина, установленной немцами в 1944 году при уходе из Севастополя. Однако источники электропитания вытраленных в 1950-х годах донных мин оказывались разряженными, а взрыватели — неработоспособными.