加藤大佐根据汇报，断定日军有可能在此处突破德军的防线。而且，经过近几日的反复攻击，德军的战斗意志已经出现疲惫消沉。另外，德军一般在拂晓时分警觉性较高。故在此时，德军的兵力应全部布置在野战工事内，以待敌军突击。也正是由于德军这种消极古板的作战原则，给日军创造了一个极好的突击时机。
当晚8时许，日军第三大队要求炮兵停止轰击中央堡垒。晚9时30分，又派出一个小队的步兵，在工兵分队的协助下前往中央堡垒前沿实施突击。日军工兵在重机枪的掩护下，将外壕铁丝网破坏了近100米，还将两条突击通道扩大至10米宽。如果此次得手，后面紧跟着一个中队的步兵。夜间10时30分，日军第三大队第十中队第三小队出发。此时，德军好像也观察到日军攻击中央堡垒的意图，从夜间10时开始，德军后方炮台向日军中央集团的第三攻击阵地开炮轰击。午夜11时30分，日军突击队在德军的炮击声中向中央堡垒前沿进发。
11月7日凌晨0时50分，大队所属炮兵用掷弹筒和迫击炮向德军中央堡垒的后方阵地及小湛山北堡垒的北侧实施炮击，中央堡垒没有还击。凌晨1时，工兵分队在壕底架起三个梯子，日军悄然迅速地进入外壕，乘着夜幕悄悄上前，拆除堡垒正面高坡上的铁丝网，并翻过内壕来到掩蔽部的前面。
此时，德军堡垒依然是那样沉静。凌晨1时15分，工兵拆除了德军中央堡垒前边布设的电控地雷后，日军小队在中村少尉带领下，占领了德军前沿的散兵壕，来到距德军掩蔽部约50米处，对掩蔽部的周边地势进行近距离侦察，只见德军高大的掩蔽部仍然像往常一样，寂静无声。突然，防御工事里的值班德军发现了偷袭上来的日军，11名慌乱的德军在堡垒的北侧用重机枪封锁住通往掩蔽部的小路。日军突击队见状立刻迂回至堡垒的南坡，利用高大的掩蔽部遮挡德军的机枪子弹。德军更加惊慌失措，向台东镇东堡垒方向退去。这时，工兵赶紧上前将电话线、地雷线、探照灯线等全部割断。
11月7日凌晨1时20分，日军突击队兵分两路迂回到堡垒的后方，来到巨大隐蔽部的大门前不足30米处时，发现外面只有一名德军的监视哨兵在值勤，那名德军士兵被眼前突如其来的情况惊呆了，竟忘了鸣哨报警，日军见状迅速地冲了上去。随后，日军包围了掩蔽部。这时，日军士兵已经来到掩蔽部大门外的楼梯口向掩蔽部内的德军喊话劝降。沉默片刻后，德军的指挥官决定放下武器。
很快，日军的太阳旗首次插上了德军的前沿堡垒。
中央堡垒沦陷以后，德军大感不妙，遂集中全部炮火轰击中央堡垒，组织军队反攻，企图夺回堡垒，但未能成功。日军乘势从前后两面夹击各堡垒，先后攻陷湛山、台东镇等堡垒。伊尔底斯兵营诸炮台随后也相继失守。
11月7日早6时，俾斯麦南炮台失陷。6时30分，俾斯麦北炮台亦告失守。至此，德军最后一道防线全线崩溃。7时，德军在观象山悬挂白旗投降。此役，德军战死150人，被俘4000余人，日军死亡1000余人。德军在投降前夕，将炮台火炮自行炸毁，军舰、浮船坞自沉海中。
1914年11月7日下午4时，青岛德军正式向日军投降，德军在青岛的总兵力为10735人，日本调集兵力5万余人，内有英军1682人。日军除从海上攻击外，又先后于龙口、崂山湾登陆，迂回背击青岛。经两个多月的陆海激战，德军终于投降。日军于11日上午10时入城；14日，发表占领青岛宣言；16日，举行入城仪式；27日，日本天皇发布命令，在青岛设守备军司令部，任命神尾中将为青岛守备军司令官。
青岛又沦为日本殖民地，日本人取代了德国人，中国北洋政府的希望又一次完全落空。这种结果比青岛留在德国人手里还要糟糕。日德交战中，中国人民遭受极大损失。日军不仅占领青岛市，还侵占莱州、平度、即墨、胶州、潍县、张店、济南，劫取了胶济铁路全线。，驻守青岛的德军就投降了，日本人浩浩荡荡开进，迅速接管了德国整个租借地，包括青岛，以及青岛至济南的铁路。
日军的行动引起中方高度恐慌，也给中方出了一个难题。中方既然已默认日军对德军的进攻，并让出了一条通道，那么现在还有什么办法能遏制日军在山东的行动呢？中方自甲午战争以来原本就对日本在亚洲的扩张政策心存疑虑，日本此时趁着欧战在中国大举用兵，不能不让中国人浮想联翩。这是明摆着要占领整个山东啊！！
12月29日，外交次长曹汝霖与日使日置益举行会谈，中方宣布取消中立战区，并让驻日公使陆宗舆正式通知日本外务省。日本不愿接受中国政府的宣布，要求中方应与日方妥善协商后方能取消。英国公使也向中方施压，劝告