הוועד האולימפי בישראל החליט לשלוח לאולימפיאדת מינכן משלחת בינונית בגודלה יחסית לאותה תקופה, שכללה 15 ספורטאים, מהם שתי נשים, שהתחרו בשבעה ענפי ספורט. בנוסף לספורטאים כללה המשלחת חמישה מאמנים, שני שופטים בינלאומיים שמונו לשפוט בתחרויות, ושמונה בעלי תפקידים נוספים, בסך הכול 30 אנשים. מנהל המשלחת היה שמואל ללקין. מבחינה כמותית בלטו במשלחת הענפים ה"כבדים", היאבקות והרמת משקולות, שבכל אחד מהם היו שלושה ספורטאים, מאמן ושופט. שמונה מבין 11 הנרצחים בטבח השתייכו לשני ענפים אלה. בשני ענפים, היאבקות ושיט, השתתפו באולימפיאדה זו ספורטאים מישראל בפעם הראשונה. בהרמת משקולות ובסיוף השתתפה ישראל בפעם השנייה (הראשונה באולימפיאדת רומא (1960)). בשלושת הענפים הנוספים, אתלטיקה, שחייה וקליעה, נהגה ישראל להשתתף בכל האולימפיאדות, או כמעט בכולן.
הספורטאית הבולטת במשלחת הייתה האתלטית אסתר רוט-שחמורוב, שהצטיינה בריצות קצרות וריצות משוכות, וזכתה שנתיים קודם לכן בשתי מדליות זהב ובמדליית כסף במשחקי אסיה שנערכו בבנגקוק ב-1970. משאר הספורטאים לא היו ציפיות להישגים גבוהים, למעט מרק סלבין, מתאבק בן 18 שהיה אלוף ברית המועצות לנוער ועלה לישראל מספר חודשים לפני האולימפיאדה.
מרבית חברי המשלחת הישראלית התגוררו בכפר האולימפי ברחוב קונולי 31. בבניין גרו גם משלחות אורוגוואי והונג קונג. בדירה 1, הסמוכה לכניסה לבניין, התגוררו חמישה מאמנים ושני שופטים. בדירה 2 התגוררו חמישה ספורטאים: שני קלעים, שני סייפים ואתלט אחד (ההלך שאול לדני). בדירה 3 התגוררו שישה ספורטאים: שלושה מתאבקים ושלושה מרימי-משקולות. בדירה נוספת שהו בעת כניסת המחבלים מנהל המשלחת שמואל ללקין ושני אנשי הצוות הרפואי. בסך הכול שכנו בבניין בבוקר 5 בספטמבר 21 ישראלים. שתי הנשים במשלחת, שחמורוב והשחיינית שלומית ניר, התגוררו בבניין נפרד בכפר האולימפי. שני השייטים, יצחק ניר ויאיר מיכאלי, ומנהל קבוצת השיט אלי פרידלנדר שהו בקיל שבה התקיימו תחרויות השיט.
יום הטבח, 5 בספטמבר, היה היום ה-12 של האולימפיאדה. עד אז סיימו רוב הספורטאים הישראלים את השתתפותם בתחרויות, ולכן יצאו חברי המשלחת בערב הקודם לחזות בהצגת "כנר על הגג" בכיכובו של שמואל רודנסקי, וחזרו לחדריהם בכפר האולימפי בשעה מאוחרת. ייתכן שהמחבלים ידעו על כך ותכננו לבצע את הפעולה דווקא ביום הזה, כדי שיהיה להם קל יותר להשתלט על חברי המשלחת. מתוך 11 הספורטאים ששכנו בבניין בקונולי 31, היחיד שלא סיים את השתתפותו היה מרק סלבין. הוא היה אמור להתחרות באותו יום, אך לא זכה להגיע לזירת התחרות.
שחמורוב, שגרה כאמור בבניין אחר, הייתה אמורה להשתתף למחרת בשלב חצי הגמר בריצת 100 מטר משוכות, וקיוותה לעלות לגמר, לאחר שקודם לכן הגיעה למקום החמישי בחצי הגמר בריצת 100 מטר והחמיצה את העלייה לגמר ב-4 מאיות השנייה. במקום לרוץ בחצי הגמר, היא הלכה אחרי ארונו של מאמנה עמיצור שפירא.
השייטים ניר ומיכאלי יצאו ביום הטבח לשיוט השישי מתוך שבעה, וכשחזרו לחוף נודע להם על האירוע.
השתלטות המחבלים על הספורטאים.
פעולת הטרור כונתה על ידי ארגון "ספטמבר השחור" בשם "מבצע בירעם ואיקרית" על שם עקורי איקרית ובירעם. מתכנני הפעולה היו מוחמד עודה, שנודע בכינוי אבו דאוד, ועאטף בסיסו. חוליית הטרור כללה שמונה מחבלים: מפקד הפעולה מוחמד מסאלחה, שכונה "עיסא", סגנו יוסוף נזאל המכונה "טוני" (שכונה על ידי כוחות הביטחון ואנשי התקשורת במקום "הקאובוי" בשל לבושו), עפיף אחמד חמיד (פאולו), ח'אלד ג'ווד (סלאח), אחמד שייח' טה (אבו האלה), מוחמד ספדי (בדראן), עדנאן אל-גאשי (דנאווי) ודודנו ג'מאל אל-גאשי (סמיר). המחבלים ידעו כולם גרמנית ועברו הכשרה צבאית ממושכת לקראת הפעולה. סיימון ריב טוען בספרו "יום אחד בספטמבר", עליו מבוסס הסרט באותו שם, ששלושה מחבלים, בהם עיסא וטוני, הועסקו בתפקידים שונים בכפר האולימפי, מה שאפשר להם לאסוף מידע רב על יעד הפעולה מבלי לעורר חשד. חבר ממשלחת אורוגוואי, ששכנה באותו בניין עם המשלחת הישראלית, העיד שראה את טוני בתוך הבניין יום לפני הטבח.
בליל 4 בספטמבר, מעט לפני חצות, התאספו השמונה במסעדה בתחנת הרכבת במינכן. הם ניגשו אל תאי שמירת החפצים והוציאו מהם תיקי ספורט שבהם הוחבאו הנשק והתחמושת, שכללו רובי סער מדגם קלשניקוב, אקדחי TT-33 ורימוני יד. המחבלים לבשו אימוניות על מנת להידמות לספורטאים, ונסעו בשתי מוניות אל הכפר האולימפי. ב-5 בספטמבר 1972, בשעה 04:10, ירדו מהמוניות שהביאו אותם סמוך לשער A25.
המחבלים עברו ללא קושי מעל הגדר ונכנסו לכפר האולימפי. מספר ספורטאים שראו אותם לא חשדו בהם ואף סייעו להם לעבור את הגדר. הם הגיעו לבניין שבו השתכנה המשלחת הישראלית, שלפו את כלי הנשק שהוסתרו בתיקים, פתחו את דלת הכניסה בעזרת מפתחות גנובים (כנראה על ידי המחבלים שעבדו בכפר האולימפי) ונכנסו אליו בלי לעורר חשד.
עם כניסתם לבניין נתקלו המחבלים במשה ויינברג, מאמן ההיאבקות, שניסה להתנגד להם בכוח ונורה בלחיו. יוסף גוטפרוינד, שופט ההיאבקות, הבחין במחבלים וניסה למנוע מהם לפתוח את דלת הכניסה לדירה 1, תוך שהוא צועק לחבריו "צאו החוצה". שותפו לדירה של גוטפרוינד, מאמן הרמת המשקולות טוביה סוקולסקי, סיפר: "התעוררתי מצעקותיו של גוטפרוינד, קמתי ממיטתי וראיתי אותו מנסה בכל כוחו להחזיק את הדלת סגורה". סוקולסקי הגיב במהירות, שבר את החלון וקפץ החוצה, וכך הצליח להינצל. ששת הדיירים הנוספים בדירה 1 לא הספיקו להימלט, והוכנעו על ידי המחבלים: ויינברג, גוטפרוינד, עמיצור שפירא, מאמנה של שחמורוב, מאמן הקליעה קהת שור, מאמן הסיוף אנדרי שפיצר, ושופט הרמת המשקולות יעקב שפרינגר.
לאחר שהשתלטו על המאמנים והשופטים בדירה 1, הורו המחבלים לוויינברג הפצוע להוביל אותם אל שאר הישראלים בבניין. ויינברג, ששמר על קור רוח למרות פציעתו, דילג על דירה 2 הסמוכה (ישנה גרסה לפיה הוא שכנע את המחבלים שבדירה הזו גרים ספורטאים ממדינה אחרת), והוביל אותם לדירה 3 בה שכנו המתאבקים ומרימי המשקולות. הוא חשב כנראה שלספורטאים החזקים יהיה סיכוי כלשהו להתנגד למחבלים. אבל הם היו שקועים בשינה עמוקה והמחבלים הצליחו להשתלט עליהם ללא קושי. כאשר המחבלים הוליכו את ויינברג וששת הספורטאים מדירה 3 אל דירה 1 עליה השתלטו קודם לכן, ניסה ויינברג פעם נוספת להתנגד למחבלים והצליח להכות עד עילפון אחד מהם. המתאבק גד צברי ניצל את המהומה ונמלט בריצה דרך היציאה האחורית אל החניון התת-קרקעי, כאשר הוא מתחבא מאחורי עמודים ומתחמק מיריות המחבלים שניסו לשווא לפגוע בו. צברי סיפר: "אני חושב שרצתי יותר מהר מולרי בורזוב" (המנצח בריצת 100 מטר).
המחבלים ירו למוות בוויינברג, והשליכו את גופתו העירומה והמגואלת בדם אל מחוץ לבניין. זו הייתה התמונה המזעזעת שנראתה תוך זמן קצר על מסכי הטלוויזיה בכל רחבי העולם. את המראה המבעית ראה גם הסייף דן אלון כאשר הציץ מחלון חדרו בדירה 2 לאחר שהתעורר מקול היריות שהרגו את ויינברג.
אלון סיפר: "בשעה 4:30 בערך התעוררתי מקולות של פיצוצים ויריות. חשבתי בתחילה שזו רק משלחת אחרת שחוגגת בסביבה. הרעשים נפסקו וחזרתי לישון. כ-20 דקות אחר כך שוב התעוררתי, והפעם קולות הירי היו ממש חזקים והרעידו את החדר. קפצתי מהמיטה. ניגשתי לחלון והצצתי החוצה, וראיתי על המדרכה שני מחבלים חמושים ואת גופתו של ויינברג. שמעתי בחדר הסמוך מחבל מדבר בטלפון עם המשטרה. הוא אמר שישראל צריכה לשחרר 200 מחבלים, או שהם יהרגו את הישראלים". אלון, שדיבר גרמנית, תרגם לשכניו לדירה את הנאמר. אלון וארבעת שותפיו לדירה: ההלך שאול לדני, הסייף יהודה וינשטיין, והקלעים הנרי הרשקוביץ וזליג שטרוך הבינו שהם חייבים לברוח מיד, אבל כדי לא לעורר רעש הלכו לאט לאט אל המרפסת, וממנה קפצו למטה.
ניצול אחר, הסייף יהודה ויינשטיין, סיפר: "פתחתי את הדלת וראיתי כמה אנשים עם תת-מקלעים בידיהם. אחד היה גלוי ראש וחברו לבש מעין סומבררו גדול. בו ברגע שמענו יריות ואז תפסתי שזו התקפה של מחבלים ערבים עלינו. סגרתי את הדלת ועם חבריי לחדר שהתעוררו אף הם התייעצנו כיצד לחמוק מהחדר ולמלט את נפשותינו. מאחר שהמסדרון היה שקט, פתחתי את הדלת והצצתי החוצה. איש לא נראה. חמקתי החוצה וסימנתי לחברי לבוא אחרי. הצלחנו להסתלק מבלי שיבחינו בנו ורצנו כל עוד נפשנו בנו לביתנים של משלחות אחרות".
שמואל ללקין ושני חברי המשלחת שהיו בדירה 4 הצליחו לחלץ את עצמם מהבניין מבלי שהמחבלים הבחינו בהם. אנשי המשלחות האחרות ששהו בבניין ואותרו על ידי המחבלים שוחררו מיד.
חמשת הספורטאים מדירה 3 שנותרו בידי המחבלים, שהיו מרימי המשקולות יוסף רומנו, דוד ברגר וזאב פרידמן והמתאבקים מרק סלבין ואליעזר חלפין, רוכזו יחד עם חמשת המאמנים והשופטים בחדר אחד בדירה 1. בשלב זה היו בידי המחבלים עשרה בני ערובה.
זמן קצר לאחר מכן, תקף רומנו את עפיף אחמד חמיד בסכין לקילוף פירות, פצע אותו בפניו ולקח את רובהו. הוא נורה מיד על ידי מחבל אחר ונפצע קשה. המחבלים סירבו לתת לו טיפול רפואי והניחו אותו על הרצפה במרכז החדר לדמם עד מוות, ולאחר מכן הותירו את גופתו כאות אזהרה לחבריו. אלה נכפתו בידיהם וברגליהם, כאשר ארבעה בני ערובה יישובים על כל אחת משתי המיטות וקשורים זה לזה, והתשיעי קשור בידיו וברגליו לכיסא. במצב זה הם הוחזקו במשך כ-17 שעות עד סמוך ל-22:00 בלילה. על מותו של רומנו, הקורבן השני של הטבח, נודע מחוץ לבניין רק מספר שעות מאוחר יותר.