Decydujący, zakończony sukcesem szturm na PAST-ę powstańcy przypuścili w nocy z 19 na 20 sierpnia. Zespoły szturmowe dziewięciu kompanii batalionu „Kiliński” pod dowództwem Henryka Leliwy-Roycewicza, pluton z kompanii „Koszta”, oddziały saperskie Okręgu Warszawa Armii Krajowej i kobieca drużyna minerska Zofii Franio (łącznie ok. 250 żołnierzy) zaatakowały o 2.30 w nocy z trzech stron jednocześnie. Polacy napotkali silny opór, a próba wdarcia się do środka po wysadzeniu ścian zakończyła się niepowodzeniem. O sukcesie przesądziło wlanie do wnętrza PAST-y przy użyciu motorowej pompy strażackiej tysięcy litrów mieszanki ropy i benzyny, a następnie jej podpalenie. Około godz. 10.00 niemiecka załoga w obawie przed spaleniem rozpoczęła ewakuację, jednak Niemcy usiłujący przedostać się w kierunku Ogrodu Saskiego i ulicy Bagno zostali zastrzeleni, a jeden wzięty do niewoli. Większość obrońców schroniła się w piwnicach, do których przez wyłom w murze wdarł się jeden z plutonów szturmowych. Po wezwaniach zaczęli opuszczać piwnice w grupach po 10–12, część z nich próbowała jednak jeszcze stawiać opór i powstańcy użyli ręcznych miotaczy ognia. Po desperackiej obronie ostatni Niemcy opuścili PAST-ę po południu 20 sierpnia 1944 roku.