A csoport nyolc tagja hajnalban hatolt be az olimpiai faluba. Kilenc izraeli sportolót túszul ejtettek, kettőt pedig, akik még a behatoláskor ellenállást tanúsítottak, azonnal lelőttek.  Kora reggel tárgyalások kezdődtek a túszejtőkkel, akik közölték: ők palesztinok, és foglyaik életéért cserében 234 bebörtönzött terrorista szabadon engedését követelik, maguknak pedig szabad elvonulást. (A listán a palesztin nevek között ott szerepelt a Németországban börtönben levő Andreas Baader és Ulrike Meinhof is.) Ellenkező esetben kivégzik a túszokat: a határidő lejárta után, óránként megölnek közülük egyet-egyet.  A Fekete Szeptember először déli határidőt tűzött ki, majd az egyezkedés során többször módosította az ultimátumot.
Az épületet mesterlövészek vették körül, az eseményeket pedig közvetítették a televíziók. A terroristákkal tárgyaló német kormánydelegációt Hans-Dietrich Genscher belügyminiszter vezette. A német kormány felvette a kapcsolatot Izrael kormányával, amely megtagadta a követelések teljesítését.  Minthogy a sportolóknak otthont adó házban lehetetlen lett volna egy szabadítóakciót lebonyolítani, a németek megpróbálták húzni az időt és csapdát állítottak. Megállapodtak a terroristákkal a szabad elvonulás feltételeiben; abban, hogy egy Lufthansa-járat Kairóba szállítja őket és foglyaikat. A terroristák azt remélték, az izraeli kormány ott már hajlandó lesz tárgyalni velük. Este az olimpiai faluból két helikopter vitte a repülőtérre a Fekete Szeptember fegyvereseit és a túszokat. A rendőrség csak későn fedezte fel, hogy nem öt, hanem nyolc fegyveresből áll a csoport, így nincs elegendő számú mesterlövész a tervezett túszmentéshez, ám a mentőakciót ennek ellenére megkezdték. A mesterlövészek tüzet nyitottak a merénylőkre, a többórás tűzharc a tévékamerák előtt zajlott. A mentőakció tragikus véget ért, a terroristák felrobbantották a túszokat szállító helikoptert, így mind a tizenegy sportoló életét vesztette. Öt terrorista és egy német rendőr meghalt, három merénylőt elfogtak (őket később egy repülőgép-eltérítés nyomán a német hatóságok túszokra cserélték).
A Fekete Szeptember csoport egy 1970-es akcióról kapta a nevét, amelyben a jordániai hatóságok terroristákat utasítottak ki az országból. A csoport célpontjai amerikai, brit, izraeli, francia érdekeltségek voltak, de szembenálltak a mérsékelt palesztinokkal is, így a PFSZ kevésbé radikális szárnyaival. Az Egyesült Államok külügyminisztériumának terrorizmus-adatbázisa szerint Líbiából és Libanonból irányították a csoportot, s ők felelősek az 1986-os római és bécsi repülőtéri merényletekért, valamint egy görög turistahajó 1988-as megtámadásáért is. Más források szerint a csoport már 1974-ben befejezte tevékenységét.
A müncheni olimpiai viadal a tragédia után folytatódott, annak ellenére, hogy szeptember 6-án, éppen a német és a magyar labdarúgó válogatott mérkőzésén, tüntetni kezdett a közönség. A sportolók közül Mark Spitz és Olga Korbut elhagyta Münchent. Izraelben a müncheni mészárlást követően különleges egységet állítottak fel, amelynek feladata a merénylet kiterveléséért és végrehajtásáért felelősök kilétének tisztázása, megtalálálása és likvidálása volt. A listán szereplő tizenegy ember közül nyolcat öltek meg. Az izraeli sportolók hozzátartozói azzal vádolták a német és a bajor kormányt, hogy nem tett meg mindent a merénylet elkerüléséért, a sportolók biztonságáért, illetve felelőtlenül kezdett a túszmentő akcióba.  2001-ben végül 3 millió dollár kártérítést ajánlott fel Németország a hozzátartozóknak. A pénzt mindeddig nem kapták meg, s hivatalosan Németország sem ismerte el felelősségét a történtekben.