В мае 1955 года «Новороссийск» вошел в строй Черноморского флота и до конца октября несколько раз выходил в море, отрабатывая задачи по боевой подготовке. На тот момент, несмотря на преклонный возраст, это был самый сильный боевой корабль в СССР.

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 (глубина 17 метров воды и около 30 метров вязкого ила). Швартовка прошла нештатно — старпом, капитан 2-го ранга Г. А. Хуршудов, замещавший находившегося в отпуске командира корабля, проскочил нужное место на полкорпуса. После швартовки часть экипажа убыла на берег. Старшим офицером остался помощник командира корабля З. Г. Сербулов.

29 октября в 1 час 31 минуту под корпусом корабля с правого борта в носу раздался взрыв, эквивалентный 1000–1200 килограммам тротила, насквозь пробивший корпус линкора, вырвавший часть палубы полубака и пробивший в подводной части дыру в 150 квадратных метра. Поскольку в месте взрыва находились носовые кубрики, сразу погибло от 150 до 175 человек. Взрыв произошел возле Госпитальной стенки Севастопольской бухты. Кроме того, через 30 секунд раздался второй взрыв по левому борту, в результате которого образовалась вмятина в 190 квадратных метра.

Линкор пытались отбуксировать на мелководье, но прибывший на корабль вице-адмирал В. А. Пархоменко приостановил буксировку. Запоздалое приказание о возобновлении буксировки оказалось бессмысленным: 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 4 часа 14 минут линкор лег на левый борт и через мгновение уткнулся мачтами в грунт. В 22 часа корпус полностью исчез под водой.

В катастрофе погибли 614 человек, включая аварийные партии с других кораблей эскадры. Многие были заперты в отсеках опрокинувшегося корабля — из них удалось спасти лишь девятерых (семерых через прорезанное в кормовой части днища отверстие и двоих из-под палубы юта, неплотно прилегавшей к грунту). Водолазы перестали слышать стук запертых в корпусе линкора моряков только 1 ноября.

Летом 1956 года экспедиция подводных работ особого назначения ЭОН-35 приступила к подъему линкора методом продувания. При продувке одновременно использовались двадцать четыре компрессора общей производительностью 120–150 кубических метров свободного воздуха в минуту. Подготовительные работы завершились в апреле 1957 года, и с 30 апреля начали предварительную продувку. Генеральную продувку начали 4 мая, и в тот же день линкор всплыл кверху килем — сначала носовая оконечность, а потом корма. Днище поднялось над водой примерно на 4 метра. При подъеме корабля на дне осталась третья башня главного калибра, которую пришлось поднимать отдельно.

По другим данным, 28 мая корабль отбуксировали в Казачью бухту (куда был пробит соответствующий фарватер) и перевернули. В дальнейшем корабль был разобран на металл и передан на завод «Запорожсталь». Стволы 320-миллиметровых орудий до 1971 года лежали напротив Морского училища.

Расследованием катастрофы занималась правительственная комиссия. Согласно докладу комиссии, «наиболее вероятно, что 29 октября 1955 года под кораблем имел место взрыв немецкой мины типа RMH или LMB со взрывателем М-1, поставленной в период Великой Отечественной войны». Однако источники электропитания вытраленных в 1950-х годах донных мин оказывались разряженными, а взрыватели — неработоспособными.

Профессор, инженер-капитан 1-го ранга Н. П. Муру в своей книге «Катастрофа на внутреннем рейде» доказывает, что наиболее вероятной причиной гибели корабля является взрыв донной мины (двух мин). Прямым подтверждением версии взрыва мины Н. П. Муру считает то, что после катастрофы тралением донного ила были обнаружены семнадцать подобных мин, из которых три находились в радиусе 100 метров от места гибели линкора.

Версия возможной детонации корабельного боезапаса отпала после обследования корпуса: характер разрушений указывал на то, что взрыв произошел снаружи.

По версии Олега Сергеева, подрыв корабля был произведен «отечественными спецслужбами с ведома руководства страны во внутриполитических целях» для дискредитации затратной программы адмирала Кузнецова по широкомасштабному строительству надводных кораблей.

В выводах комиссии не исключалась и возможность диверсии. В Италии накануне передачи линкора СССР открыто звучали призывы не допустить того, чтобы гордость итальянского флота оказалась под советским флагом. Кроме того, как удалось установить из архивных документов, планировалось подготовить 320-миллиметровый главный калибр «Новороссийска» для стрельбы снарядами с ядерной начинкой. По некоторым сведениям, как раз накануне линкор после долгих неудач отстрелялся экспериментальными спецснарядами (без ядерного заряда) по учебным мишеням.

Силы и средства для диверсии в послевоенной Италии имелись. Во время войны на Черном и Средиземном морях действовали итальянские подводные диверсанты из 10-й флотилии, которыми командовал «черный князь» Валерио Боргезе. Во время войны 10-я флотилия базировалась в крымских портах.

Как свидетельствуют рассекреченные разведывательные сводки штаба Черноморского флота, по весьма странному совпадению именно в самом конце октября итальянские торговые суда к 29 октября 1955 года покинули акваторию порта, а Боргезе вскоре после подрыва «Новороссийска» переселился в Испанию.