В Тобрук было доставлено около 34 000 тонн продовольствия и боеприпасов. При этом союзники потеряли от действий флота и авиации противника 27 судов.
Первоначальный план штурма Роммелем Тобрука предусматривал обход города танковыми силами с юга и последующую их атаку с востока, со стороны дороги на Бардию, чтобы отрезать Тобрук от Каира. Однако, желая сохранить темп наступления, Роммель уже при подходе к Тобруку приказал командующему вновь сформированной 15-й танковой дивизии, еще не полностью переброшенной в Северную Африку, генерал-майору Генриху фон Приттвиц унд Гаффрону выделить из неё разведывательный, пулемётный и противотанковый батальоны и немедленно атаковать Тобрук с запада, наступая вдоль дороги из Дерны. Однако сильный гарнизон Тобрука, состоявший из 9-й австралийской пехотной дивизии, наименее пострадавшей при отходе из Западной Киренаики, а также из 20-й и недавно прибывшей из Египта 18-й пехотных бригад, отразил немецкое наступление.
Австралийцы первыми заметили приближавшиеся к городу три немецких бронеавтомобиля и вынудили их отступить, обстреляв из трофейных итальянских орудий. Когда танки Роммеля достигли моста через вади перед укреплениями главного периметра обороны, мост был взорван. Генерал фон Приттвиц погиб, когда в его автомобиль угодил снаряд. Немцы отступили.
Союзники установили заграждения из колючей проволоки, мины и другие противотанковые препятствия. Периметр обороны Тобрука в 50 км был разделен на три участка, каждый из которых обороняла одна бригада 9-й австралийской дивизии. Роммель вернулся к первоначальному плану штурма Тобрука, отправив танки на дорогу к Бардии. К 11 апреля крепость была окружена войсками 5-й лёгкой дивизии с востока, подразделениями 15-й танковой дивизии с юга и дивизией «Брешиа» – с запада.
Вскоре после полудня 11 апреля итало-немецкие силы начали полномасштабную атаку города. 5-й танковый полк 5-й лёгкой дивизии первым открыл огонь по защитникам крепости, атаковав участок, занятый солдатами 20-й австралийской пехотной бригады, к западу от дороги Эль Адем. В течение продолжавшегося около часа боя 5 немецких танков были уничтожены, а остальные вынуждены были отступить. Около 15.00 2-й батальон 13-го австралийского пехотного полка был атакован силами 400 немецких солдат, которым также пришлось отступить. Союзная пехота укрывалась в хорошо защищённых от танкового огня дотах, заманивая танки противника на позиции второй линии обороны с противотанковыми орудиями. 13 апреля, вскоре после наступления темноты, 5-я лёгкая дивизия вновь атаковала гарнизон Тобрука, чтобы захватить плацдарм за противотанковым рвом западнее Эль Адема. Несмотря на ожесточённое сопротивление, оказанное 2-м батальоном 17-го австралийского пехотного полка, немцам удалось захватить небольшой плацдарм. Оттуда две танковые колонны 5-й лёгкой дивизии в ночь на 14 апреля осуществили прорыв в сторону центра Тобрука и на запад, чтобы отсечь оборонявшиеся перед плацдармом союзные войска