התקיפה נדחתה מספר פעמים משיקולי ביטחון שדה ואחרים: מדען הגרעין פרופ' עוזי אבן הדליף ידיעה על התוכנית לשמעון פרס, ראש האופוזיציה. פרס התנגד לתוכנית, ובמכתב ששלח לראש הממשלה ב-9 במאי כתב: "...אני מרגיש שזוהי חובתי האזרחית העליונה לייעץ לך, בכל כובד-הראש והשיקול הלאומי, להימנע מהדבר... אני מצרף את קולי - ואין זה קולי בלבד - לאלה האומרים לך לא לעשות, ובוודאי שלא בעיתוי ובתנאים הנוכחיים." לדעתו של פרס הדרך למנוע פיתוח גרעיני בעיראק הייתה באמצעות לחץ דיפלומטי. הוא קיווה שממשלו של פרנסואה מיטראן, שבאותו יום נבחר לנשיאות צרפת (ולזאת הכוונה "בתנאים הנוכחיים"), ישנה את גישתו. עם המתנגדים לתקיפה נמנו גם סגן ראש הממשלה יגאל ידין, שר הביטחון עד מאי 1980 עזר ויצמן, ראשי אמ"ן והמוסד ומנכ"ל הוועדה לאנרגיה אטומית. לעומתם תמכו בתקיפה מפקד חיל האוויר, דוד עברי, סגן ראש המוסד נחום אדמוני והרמטכ"ל איתן שהאיץ בראש הממשלה להורות על תקיפה בהקדם. ב-10 במאי, כשהטייסים עסקו בהכנות אחרונות, הוחלט לבטל את היציאה, בין השאר מפני שבגין חשש שאם הידיעה דלפה לפרס, היא עלולה הייתה להגיע גם לבסוף לעיראקים. יציאה נוספת תוכננה ל-17 במאי, אך נדחתה. תאריך נוסף שנקבע היה 31 במאי, אלא שב-4 ביוני הייתה אמורה להתקיים פסגת בגין-סאדאת בשארם א-שייח', וכדי להימנע מפגיעה בפגישת הפסגה נדחתה הפעולה ל-7 ביוני. מטעמי ביטחון שדה נקבע שם חדש למבצע לאחר דחייתו באופן ממוחשב ואקראי. שמו האחרון של המבצע היה "אופרה". במקורות אחרים צוין כי שמו של המבצע שונה בעקבות מכתבו של פרס.
בשל הטווח הגדול אל המטרה, ניצבו המטוסים התוקפים בפני מגבלת דלק חריפה. חיל האוויר לא קיבל מערכת תדלוק אווירי אמריקאית, והמערכת שפותחה בתעשייה האווירית עדיין לא הושלמה. מהירות הטיסה נקבעה להיות החסכונית ביותר בדלק. בנוסף, אישר דוד עברי, מפקד חיל האוויר, לערוך "תדלוק חם" - תדלוק המטוסים בשעה שמנועיהם פועלים, באופן חריג ומסוכן, ממש לפני ההמראה, על מנת לנצל את מלוא נפח מערכת הדלק במטוסים. פעולה נוספת שבוצעה במהלך הטיסה לצורך הגדלת טווח הטיסה היא השלכת מכלי הדלק הנתיקים (לצורך הקטנת הגרר), זאת בניגוד להוראות היצרן בשל חשש מפגיעה בחימוש.
התקיפה.
המטוסים המריאו משדה התעופה עציון ביום ראשון, 7 ביוני 1981, (ערב חג השבועות) בשעה 16:00. הטיסה אל היעד נעשתה בדממת אלחוט, עם מכ"מים כבויים ובגובה נמוך של כ-300 רגל, כדי לחמוק מגילוי מכ"ם. הנתיב, שאורכו 1,100 קילומטרים, עבר בצפון ערב הסעודית מדרום לגבול ירדן.
חוסיין, מלך ירדן, ששהה בעקבה, הבחין במטוסים לאחר ההמראה ודיווח על כך לאנשיו אך לא ידוע אם התרעה זו הועברה גם לסעודים או לעיראקים. לנוכח הסיכון שבהזנקת מטוסי יירוט עיראקיים שתשבש את התקיפה צורפו לשמיניית מטוסי ה-F-16 שלושה זוגות של מטוסי F-15 שחיפו עליהם: זוג F-15 פיטרל מדרום לנתיב הטיסה, זוג נוסף איבטח מצפון לנתיב, וזוג שלישי שימש מטריית הגנה אווירית מפני מיגים שעלולים להמריא מהבסיסים סביב בגדאד. זוג F-15 נוסף טס מעט מאחורי הכוח על מנת לשמש תחנת ממסר בין מבני התקיפה ובונקר הפיקוד מפני תקיפת מטוסי יירוט, וצויד במשדרי לוחמה אלקטרונית כדי לשבש את המכ"ם של סוללות טילי נ"מ העיראקיות.
מעל המדבריות בדרכם אל היעד בצפונה של ערב הסעודית הטילו המטוסים מכלי דלק נתיקים שנתרוקנו מדלק במטרה להפחית גרר. בשל דממת האלחוט לא יכלו הטייסים לתאם את הטלת המכלים והם הוטלו באופן מפוזר לאורך נתיב ההתקדמות. כתוצאה מהטלת הנתיקים עלתה מהירות המטוסים לכ-450 קשר. משהתקרבו המטוסים הישראלים ליעד, פרץ מוביל המבנים לקשר והזהיר מפני אנטנות ועמודים. לאחר מכן פקד על הטייסים להגביר עוצמת מנוע למרבית (ללא מבער) ולנסוק לקראת צלילת הפצצה. בסמוך לשעה 17:30 (לקראת שקיעת השמש), נסקו שתי רביעיות מטוסי F-16 לגובה של 10,000 רגל ביצעו תמרון גלגול לפי תרגולת ההפצצה שהותאמה לחדירת כיפת הכור והפציצו את הכור בזווית של 35 מעלות. כל מטוס הטיל בתורו בהפרש של חמש שניות זה מזה מטען של שתי פצצות סימן 84 במשקל טון כל אחת, סך הכל 16 טון פצצות. מחצית הפצצות תוכננו להתפוצץ עם המגע בכיפת הכור ומחציתן צוידו במרעום שיביא לפיצוצן לאחר שיחדרו לעומק מבנה הכור. הדיוק שבהטלת הפצצות היה טוב ו-12 מהן חדרו פנימה אל תוך מבנה הכור והרסו אותו כליל. שבעה מתוך שמונת הטייסים פגעו במטרותיהם, תוך שימוש בפצצות "שימוש כללי" קונבנציונליות (בלתי מונחות), בניגוד להערכות רבות שפורסמו בעולם אחרי כן, לפיהן רק חימוש מונחה מדויק יכול היה להגיע לתוצאות אלו.
לאחר כל יעף הפצצה ביצעו המטוסים תמרון חמיקה מטיל שעלול היה להיות משוגר לעברם וכן שחררו נורים להטעיית טילים. בשלב זה החשש מפני מטוסי ירוט עיראקיים שישבשו את התקיפה לא התממש, וגם טילי קרקע אוויר לא נורו לעבר המטוסים התוקפים לאורך כל התקיפה. ירי הנ"מ היה דליל ולא איים באופן ממשי על המטוסים.
הטיסה חזרה לישראל נערכה בגובה רב וחסכוני בדלק ובמהירות גבוהה. כל המטוסים שבו בשלום לבסיס עציון לאחר כשלוש שעות.
המטוסים נבדקו על ידי צוותי הקרקע לאיתור פגיעות נ"מ. משלא נמצאו פגיעות, תודלקו המטוסים והטייסים שתקפו המריאו ממנו שוב לבסיסי האם של הטייסות. עשרה חיילים עיראקים ששהו בכור נהרגו, וכן נהרג יועץ צרפתי ששהה באותה עת במתקן הסמוך לכור.
מלבד 14 המטוסים שטסו אל היעד (שמונה F-16 ושישה F-15), השתתפו במבצע כ-60 כלי טיס נוספים ובהם מטוסי גיבוי, מסוקים בכוננות לחילוץ טייסים נוטשים, מטוסי בקרה מסוג E-2 הוקאיי ועוד.
מטוסי הקרב החוזרים ערכו טיסת ראווה חגיגית בגובה נמוך מעל יישובים בארץ, תוך סימון הצלחתם, עם כניסת החג.
המודיעין למבצע.
המודיעין הישראלי עקב אחר נושא הגרעין העיראקי בעדיפות גבוהה:
היערכות לפעולה צבאית
הוקמה קבוצת עבודה בין‑שירותית (תחילה בכינוי "קלע דוד" ואחר כך "עידן חדש") בראשות סגן ראש המוסד נחום אדמוני, ובהשתתפות תא"ל אביעזר יערי, ראש חטיבת המחקר באמ"ן, שנועדה לבחון את כל המידע ממגוון המקורות, ולהעריכו בלוויית משמעויות מבצעיות.
בסודיות מרבית הוחל בהכנת מודיעין למבצע אפשרי בעיראק. מספר שותפי הסוד צומצם עד למינימום, והוקפד על מידור בין הגורמים השונים.
ב‑14 באוקטובר 1980, בדיון של ועדת השרים לביטחון בסוגיית הכור בעיראק, הסתייגו ראשי המודיעין - יצחק חופי, ראש המוסד ויהושע שגיא, ראש אמ"ן החדש, ממבצע צבאי. לעומתם הרמטכ"ל, רפאל איתן, תמך בפעולה צבאית. בתוך שני הארגונים, אמ"ן והמוסד, נחלקו הדעות בין שוללים ומחייבים, בייחוד כשהגיעו הדברים להכרעה קונקרטית. מחלקת המחקר באמ"ן בראשות תא"ל אביעזר יערי חִייבה את התקיפה ואילו ראש אמ"ן, אלוף יהושע שגיא, התנגד. מצב דומה התרחש במוסד - ראש המוסד, יצחק חופי, המליץ נגד תקיפה, מחשש שהתקיפה תפגע בהסכם השלום עם מצרים, ואילו סגנו, נחום אדמוני, היה בעדה וטען כי תקיפה בעיראק תשמש לקח לאחרים.
תגובות ותוצאות.
בעיראק.
לאחר שסדאם חוסיין שמע על התקיפה ונודע לו שאף מטוס לא יורט, הוא פקד להוציא להורג את מפקד סוללת הנ"מ שאיבטחה את הכור. ב-23 ביוני הופיע סדאם בפומבי לראשונה מאז התקיפה, ונשא נאום בו הוקיע את "הסוכנות העיראקית לאנרגיה אטומית" על אבטחה לקויה.
בישראל.
התקיפה הפכה במהרה לסוגיה מרכזית בקרב מפלגות הליכוד והמערך במערכת הבחירות לכנסת העשירית, שהתקיימו שלושה שבועות לאחר מכן. בבחירות ניצח הליכוד בראשות מנחם בגין את המערך בראשות שמעון פרס, ברוב דחוק, לאחר שסקרים גרסו כי המערך מוביל בהפרש ניכר. בין דברי הביקורת על המבצע בלטה התבטאותו של ראש מטה ההסברה של המערך אותה עת ולימים נשיא מדינת ישראל, חיים הרצוג. בריאיון לכתב ה-BBC בישראל בוב סיימון, זמן קצר לאחר פרסום ההתקפה, אמר הרצוג: מודעות הבחירות של המערך טענו שהפעולה מעוררת שאלות קשות והגדירו את בגין כאדם קל לשון וחסר שיקול דעת שלא ניתן לסמוך עליו. בעקבות הביקורת הפנימית בישראל הגיב בגין בחריפות וטען כי הוא לא היה מסכן אנשים במוות ובשבי למען שיקולי בחירות. בתגובתו לביקורת מצד הממשל האמריקאי של רייגן, אמר בגין כי ההחלטה על עיתוי התקיפה נפלה לאור התקדמות הכור לעבר הפעלה מעשית, כך שאילולא הושמד באותו עיתוי, תוך זמן קצר הייתה פגיעה בו כרוכה ביצירת ענן של נשורת גרעינית שהייתה פוגעת בילדי בגדד.
ברחבי העולם.
עם היוודע דבר התקיפה נמתחה על המבצע ביקורת חריפה. הפעולה גונתה על ידי כמעט כל ממשלות העולם, ובהן ממשלת ארצות הברית, שטענה כי ההתקפה פוגעת בסיכויי השלום במזרח התיכון. זעמה של ארצות הברית היה רב כיוון שהתקיפה לא תואמה מראש עם הממשל האמריקאי תוך שנעשה בה שימוש בציוד צבאי של ארצות הברית. שבועיים לאחר התקיפה אישרה מליאת האומות המאוחדות ומועצת הביטחון החלטת גינוי חריפה ביותר נגד ישראל. בניגוד לעמדתה הידידותית בדרך כלל, תמכה ארצות הברית (באישורו של הנשיא רונלד רייגן) בהחלטה. המבצע הביא להקפאה זמנית של משלוחי ציוד צבאי אמריקאי לישראל, בהם מטוסי F-16 נוספים, אך ההקפאה הוסרה מיד לאחר הבחירות בישראל. מנגד, ביקש חיל האוויר האמריקני ללמוד את פרטי התקיפה ובמשך שבועות ארוכים התקשו מומחיו להאמין כי טיסת התקיפה בוצעה ללא תדלוק אווירי.
גם התקשורת האמריקאית בחלקה הייתה נגד ישראל. במאמר מערכת של הניו-יורק טיימס לאחר התקיפה, נטען כי .