El entrenador del equipo de lucha, Moshé Weinberg, de 33 años, oyó un ruido tras la puerta del primer apartamento, observando que alguien abría ligeramente la puerta, se abalanzó sobre ésta dando un grito de alerta, mientras intentaba cerrarla forcejeando con los terroristas. En la confusión, nueve atletas pudieron escapar, y otros ocho se ocultaron. El luchador Joseph Romano, que en ese momento volvía de comer en un restaurante, agarró el arma a uno de los terroristas, pero resultó muerto por un disparo. Asimismo, Moshé Weinberg fue asesinado cuando intentó atacar a uno de los asaltantes con un cuchillo de fruta. Tras la muerte de éste, los terroristas tomaron como rehenes a nueve integrantes del equipo: David Berger, Ze'ev Friedman, Joseph Gottfreund, Eliezer Halfin, Andre Spitzer, Amitzur Shapira, Kehat Shorr, Mark Slavin y Yakov Springer.
Posteriormente se divulgó que los secuestradores eran fedayines palestinos de los campos de refugiados del Líbano, Siria y Jordania. Eran Luttif Afif (el jefe del grupo; tres de sus hermanos eran también miembros de Septiembre Negro, dos de ellos en prisiones israelíes), Yasuf Nasal, Afif Abmed Hamid, Khalid Jawad, Ahmed Chic Thaa, Mohammed Safady, Adnan Al-Gashey y su sobrino Jamal Al-Gashey.
El grupo exigía la liberación de 234 palestinos presos en cárceles israelíes y dos más encarcelados en Alemania, así como su traslado seguro a Egipto. La respuesta de Israel fue inmediata y contundente: no habría negociación.
Las autoridades alemanas, bajo la dirección del canciller Willy Brandt y el ministro del Interior Hans-Dietrich Genscher rechazaron el ofrecimiento por parte de Israel de enviar un grupo de fuerzas especiales de su país.
El plazo para la ejecución de los deportistas pasó de tres a cinco horas tras las conversaciones llevadas a cabo por las autoridades germanas. El jefe de policía alemán Manfred Schreiber y Ahmed Touni, que encabezaba la delegación olímpica egipcia, negociaron directamente con los secuestradores ofreciéndoles una ilimitada cantidad de dinero. Los embajadores de Túnez y Libia en Alemania también ayudaron intentando ganar concesiones de los secuestradores, pero fue inútil.
Finalmente los terroristas exigieron un transporte para El Cairo. Las autoridades fingieron llegar a un acuerdo y, a las 22:10, dos helicópteros transportaron a los asaltantes y a sus rehenes a una base aérea en penumbra próxima a Fürstenfeldbruck, donde un avión Boeing 727 de Lufthansa les estaba esperando. Los secuestradores creyeron que estaban en Riem, el aeropuerto internacional cercano a Múnich. Las autoridades habían planeado un asalto sobre ellos en el aeródromo.
Cinco francotiradores alemanes fueron seleccionados para disparar a los secuestradores. Ninguno tenía una preparación especial en este tipo de acciones y fueron elegidos porque practicaban el tiro de forma competitiva los fines de semana (posteriormente uno de ellos reconocería que no se consideraba un tirador de élite). En los 75 minutos que pasarían antes del fatal desenlace, las autoridades policiales germanas solicitaron tardíamente tanquetas, las cuales tardarían 30 minutos en llegar debido al denso tráfico.
Los helicópteros aterrizaron a las 22:30 en el aeropuerto. A las 23:03, dos terroristas bajaron de los aparatos, caminaron hacia el avión y se volvieron. Seguidamente, otros dos descendieron empujando a dos de los rehenes, quienes llevaban sus manos atadas a la espalda. Viendo que el avión estaba vacío y sabiéndose engañados, los terroristas regresaron precipitadamente hacia los helicópteros. En ese momento el aeropuerto fue súbitamente iluminado con bengalas y focos y las autoridades alemanas dieron la orden de abrir fuego.
A media noche, se exigió a los secuestradores que se rindieran. Cuatro minutos más tarde, uno de los terroristas saltó del primer helicóptero lanzando una granada a su interior, que explotó con cuatro atletas israelíes y un piloto en su interior. Antes de que el fuego de la primera explosión alcanzase el depósito de gasolina del segundo helicóptero, Luttif Afif y otro secuestrador salieron del aparato y comenzaron a disparar a la policía. Éstos respondieron a los disparos, abatiendo a ambos. Los rehenes del segundo helicóptero murieron durante el tiroteo (posteriormente se señalaría que fueron ametrallados por un tercer asaltante). Los tres terroristas restantes fueron capturados.
Sorprendentemente, la competición olímpica solo se suspendió por un día, el 5 de septiembre, a pesar de que diferentes personalidades pidieron su suspensión. El presidente del Comité Olímpico Internacional, Avery Brundage, y otros miembros del COI decidieron que los terroristas no podían condicionar la celebración de los juegos. Al día siguiente se celebró en el estadio olímpico un memorial por los muertos al que asistieron 80.000 espectadores y 3.000 atletas. Avery Brundage no hizo ninguna referencia a los deportistas asesinados durante su discurso, en que elogiaba la fuerza del movimiento olímpico. Este hecho enojó a los israelíes y a mucha de la gente allí presente.
Como muestra de duelo, durante el acto, la bandera olímpica se izó a media asta junto con la mayoría de las banderas nacionales de los países presentes en los juegos, a excepción de los países árabes, los cuales exigieron que sus enseñas ondeasen en lo alto del mástil. Las naciones árabes de donde eran los terroristas lo veían como una claudicación frente a Israel.
El 5 de septiembre el equipo olímpico israelí anunció que abandonaba Múnich, siendo especialmente protegidos por las fuerzas de seguridad. El equipo egipcio dejó los juegos el 7 de septiembre, temiendo posibles represalias.
El 5 de septiembre, la entonces primera ministra de Israel, Golda Meir instaba al resto de las naciones a reprobar el bárbaro acto criminal. El ataque fue ampliamente condenado por todo el mundo, incluidos significativos personajes árabes como el rey Hussein I de Jordania.
Las autoridades alemanas encarcelaron a los tres terroristas supervivientes y crearon la unidad antiterrorista GSG9 para dar una respuesta contundente en futuras acciones de rescates de rehenes.
El 9 de septiembre, la fuerza aérea israelí bombardeó como respuesta las bases de la Organización para la Liberación de Palestina (OLP) en Siria y Líbano, ataque que fue reprobado por el Consejo de Seguridad de la ONU. Asimismo, una resolución de la ONU de condena de los hechos de Múnich, amparada por los Estados Unidos, fue rechazada.
El 29 de octubre, un avión de Lufthansa fue secuestrado, exigiendo los terroristas la liberación de los tres integrantes de Septiembre Negro presos en cárceles alemanas. Sus reivindicaciones fueron atendidas por las autoridades germanas.
Los hechos acaecidos en Múnich traerían consigo una espiral de violencia por parte de Israel, con el fin de dar caza a los supuestos responsables del acto terrorista. Tras el ataque a la villa olímpica y la posterior liberación de estos tres terroristas, Golda Meir y el Comité de Defensa Israelí dieron órdenes secretas al Mossad de matar, dondequiera que se encontrasen, a los once hombres de Septiembre Negro y del Frente Popular para la Liberación de Palestina (FPLP) que planificaron y organizaron la matanza de los atletas israelíes. Para ello, el servicio secreto israelí creó una unidad encubierta que sería ayudada por las células de información israelíes instaladas en Europa. Esta misión se conocería más tarde como Operación Cólera de Dios (o de Mivtzah Za'am Hael en hebreo).
Gracias a la información capturada a la OLP, y a la facilitada por los servicios de inteligencia europeos aliados, el Mossad elaboró una lista de objetivos encabezada por Wael 'Aadel Zwaiter, un miembro sospechoso de pertenecer a Septiembre Negro y que representaba oficialmente a la OLP en Italia, quien sería asesinado el 16 de octubre. La muerte de Zwaiter fue seguida de atentados mediante cartas bomba, que no causaron víctimas mortales, contra representantes de la OLP en Argelia y Libia, contra palestinos en Bonn (Alemania) y Copenhague (Dinamarca), y contra un representante de la Cruz Roja en Estocolmo (Suecia).
El 8 de diciembre, el representante de la OLP en París (Francia), Mohammad Hamshiri fue asesinado mediante una bomba activada por control remoto, la cual estaba instalada debajo de su escritorio. En los tres meses siguientes, cuatro integrantes de la OLP y la FPLP fueron asimismo asesinados en Chipre, Grecia y París.
El 9 de abril de 1973, Israel lanza la operación Primavera de Juventud en Beirut, (Líbano). Los objetivos eran Mohammad Yusuf al-Najjar (Abu Yusuf), Kamal Adwan y Kamal Nasser, todos ellos importantes dirigentes de la OLP. Un grupo de comandos israelíes desembarcó en una desierta playa del Líbano, dirigiéndose posteriormente a Beirut, donde acabaron con la vida de los tres palestinos, cuatro civiles libaneses, tres turistas sirios, un italiano y dejando 29 personas más heridas. A continuación, explotaron el cuartel general del FPLP en la ciudad y una fábrica de explosivos de Al Fatah.
El 28 de junio de 1973, el argelino Mohammad Boudia, encargado de las operaciones de Septiembre Negro en Europa, fue asesinado mediante un coche bomba en París.
El 21 de julio de 1973, tuvo lugar el conocido como asunto de Lillehammer. Un equipo de agentes del Mossad mató en Lillehammer (Noruega) a Ahmed Bouchiki, un marroquí sin relación alguna con los hechos acaecidos en Múnich, después de que un informador del Mossad le confundiera con Ali Hasan Salameh, integrante de Septiembre Negro. Cinco agentes del servicio secreto israelí, incluyendo dos mujeres, fueron capturados por las autoridades noruegas, siendo juzgados y encarcelados. Posteriormente serían liberados y expulsados a Israel.
El 22 de enero de 1979, el servicio secreto israelí daría finalmente con el paradero de Salameh, asesinándole con un coche bomba.
Mohammed Daoud Oudeh alias Abu Daoud (de quien se dice que fue el que concibió la acción) murió en el Hospital Al-Andalus de Damasco (Siria), el 3 de julio de 2010 por una insuficiencia renal.