古德裏安的部隊之所以能夠一斬而盡全功，除了由於他的堅持和阿道夫的信任之外，還要得益於公海艦隊成功的殲滅法蘭西艦隊，也成功地將英國海軍堵在了樸茨茅斯。
在戰役發起的那一刻，已經悄悄包圍了土倫港的公海艦隊第一分艦隊幾乎是與地麵部隊同時發起了攻擊。
5月10日早上6時，第一分艦隊接到了進攻命令，三航空母艦的飛行甲板上的綠燈亮了，飛機一架接一架飛離航母，不到15分鍾，擔任第一波攻擊任務的183架飛機就全部飛離甲板，其中戰鬥機43架，水平轟炸機49架、魚雷機40架，俯衝轟炸機51架，在領航機信號燈導引下，迅速編好隊形，然後繞艦飛行一周撲向土倫港。
法蘭西艦隊停泊在土倫港內的艦船計有戰列艦８艘、重巡洋艦２艘、輕巡洋艦６艘、驅逐艦２９艘、潛艇５艘、輔助艦船３０艘。岸上機場停有飛機２６２架，2艘航母此時正在英國接受新型艦載機，僥幸逃過一劫。
由於是假期，大部分官兵離開了戰鬥崗位，整個土倫港呈現出一派假日景象，沒有一點戒備。
5月10日7時49分，德軍發出突擊信號，各飛行突擊隊立即展開攻擊隊形，俯衝轟炸機隊率先進入。7時55分，成批炸彈暴雨班傾瀉到法蘭西洋艦隊基地四周的機場，將機場上成比翼排列的數百架戰機炸成一堆堆廢鐵，隨後德軍摧毀了機庫。僅僅幾分鍾就徹底敲掉了土倫港的防空設施，5月10日7時57分，德軍魚雷機從幾個方向突入，在僅僅掠過水麵１２米的高度上，向土倫港東西兩側的法國軍艦發射魚雷。８時05分，水平轟炸機從正西方向進入，再次轟炸了東側停泊的戰列艦，同時轟炸了高炮火力集中的機場。大火和爆炸引起的煙霧，頓時遮蔽了整個土倫港，不少法國軍艦來不及作戰鬥準備就沉入海底。
８時40分，第一攻擊波攻擊結束，德機順利完成首次空襲任務後安然返航。
隨後德軍擔任第二波攻擊的168架飛機，於７時15分起飛，８時46分展開攻擊隊形，８時55分開始攻擊，俯衝轟炸機主要攻擊濃煙滾滾的法國艦船，水平轟炸機則繼續攻擊各機場，戰鬥機擔任空中掩護。與此同時，潛入土倫港內的德國袖珍潛艇施放水雷，發射魚雷，攻擊法艦封鎖港口。
在德機第一攻擊波突然襲擊開始時，法軍混亂不堪，驚慌失措，毫無招架之力。島上高射炮直至６分鍾後才零星射擊，３３個高炮連，僅有４個連開火，但擊落德機甚少。港內的軍艦在最初的幾分鍾內，幾乎沒人能夠意識到正在發生什麼事情。排列在艦列最後的戰列艦“桑德來”號剛升起旗艦，就被德機上的機關炮刹那間撕得粉碎，大驚失色的升旗手緊接著又升起幾麵艦旗，無一不被打爛。當第一枚魚雷命中戰列艦“查理三世”號時，法國人還是一副難以置信的表情。
戰列艦“聖女”號正在升旗，一名水兵漫不經心地對一群衝向附近的機場飛機看了一眼，他還以為是自己的飛機，沒等他回過神來，炸彈已落在頭上。
直到８時，發軍艦隊司令部才發出了戰鬥警報：“土倫港遭空襲，這不是演習。”
此時，“香格裏拉”號和“凡爾賽”號已被炸裂了，“香格裏拉”號和1000名水兵也被彈藥庫引發的一係列毀滅性爆炸淹沒。到這時，法軍艦上驚魂初定的高射炮手才投入戰鬥，但奏效甚微。
８時15分，法軍未遭德機轟炸的機場起飛了4架戰鬥機，此後陸續起飛25架，與德軍飛機展開了空戰，但由於寡不敵眾，倉促應戰，協同不好，因而或被德軍戰鬥機擊落，或被法軍自己的高射炮擊毀。將近２個小時，德國人控製著土倫港的海空，隨心所欲地進行著轟炸掃射。
10時整，德軍飛機全部撤離土倫港返回母艦。隨後德意誌公海艦隊第一分艦隊進入土倫港，用艦炮將還在海麵上漂浮的法軍戰艦一一擊沉。而剩下的法軍戰艦不是懸掛白旗投降，就是打開通海閥門自沉。法蘭西艦隊幾乎是在沒什麼反擊的情況下，全軍覆沒。
這是一場海上、水下、空中閃電式的立體襲擊戰，在短短的的１個多小時裏，德軍共投擲魚雷40枚，各型炸彈556枚，共計144噸。擊沉、擊傷法軍各型艦船總計40餘艘，其中擊沉戰列艦４艘、重巡洋艦２艘、輕巡洋艦２艘、驅逐艦２艘和油船１艘；重創戰列艦３艘、巡洋艦２艘和驅逐艦２艘；擊傷重巡洋艦１艘、輕巡洋艦４艘、驅逐艦１艘和輔助船５艘。擊毀飛機265架。法軍傷亡慘重，總計2403人陣亡，1778人受傷。德軍隻有29架飛機被擊毀，70架被擊傷，55名飛行員死亡，５艘袖珍潛艇被擊毀。德意誌海軍以壓倒性的勝利，完成了他精彩的首戰。