לוחמי האצ"ל והלח"י פנו לדוד שאלתיאל, מפקד העיר ירושלים מטעם "ההגנה", וביקשו אישור לתקוף את דיר יאסין. שאלתיאל אישר את ההתקפה על דיר יאסין בתנאי שלוחמי האצ"ל והלח"י לא ינטשו אותו לאחר כיבושו, אלא יישארו בו כדי למנוע מכוחות ערבים להיאחז בחורבות הכפר. במכתבו ליהושע זטלר, מפקד כוח הלח"י בירושלים, כתב שאלתיאל שכיבוש הכפר וההיאחזות בו משתלבים בתוכנית המערכה הכוללת של פיקוד ההגנה באזור ירושלים. בריאיון שנערך עמו ב-1960 התייחס שאלתיאל למכתב, וטען כי התנגד להתקפה על דיר יאסין: "כשנודעה לי תוכניתם על כיבוש דיר יאסין, התחננתי לפניהם לבל יעשו זאת, משום שכפר זה אינו מסוכן באותה שעה". לדבריו, בסופו של דבר לא נותרה לו ברירה מול התעקשותם של אנשי האצ"ל והלח"י ולכן אישר בדיעבד את הפעולה, אף על פי שהעדיף לשלוח את לוחמי האצ"ל והלח"י לסייע ללוחמי "ההגנה" בקרב על הקסטל. ההיסטוריון הצבאי מאיר פעיל, שהיה באותה עת קצין מודיעין בפלמ"ח, טען כי הוא התנגד להפרת הסכם השלום עם הכפר, אולם לדבריו שאלתיאל אמר לו כי אין לו היכולות לעצור את כוחות האצ"ל והלח"י מלפעול. ההיסטוריון יואב גלבר טען כי נוסח המכתב סותר את עדויותיו המאוחרות של שאלתיאל בהן טען כי הפעולה נכפתה עליו בניגוד לרצונו מבלי שיוכל למונעה.
התכנון והתדרוך לפני הקרב.
לטענת ההיסטוריון בני מוריס, בפגישות שנערכו לצורך תכנון הקרב הוחלט כי יש לגרש את תושבי הכפר לאחר שזה ייכבש. יהודה לפידות טען שאנשי הלח"י הציעו להרוג את כל תושבי הכפר שלא יברחו, על מנת לעורר אימה ולפגוע במורל של ערביי הארץ, אולם פיקוד האצ"ל דחה את ההצעה.
הלוחמים שנועדו להשתתף בפעולה תודרכו ב-8 באפריל, מספר שעות לפני תחילת ההתקפה על דיר יאסין. 40 לוחמי לח"י התכנסו בגבעת שאול ו-72 לוחמי אצ"ל התכנסו בבסיס "עץ חיים" בכניסה לירושלים. לדברי לפידות האווירה בקרב אנשי האצ"ל הייתה חגיגית ומצב-הרוח מרומם. הייתה זו הפעם הראשונה שמספר כה גדול של לוחמי הארגון נפגשו בגלוי, מבלי לחשוש מכוחות הביטחון הבריטים. שיתוף הפעולה בין שני הארגונים, האצ"ל והלח"י, הגביר את תחושת הסולידריות ביניהם, ובהתאם לכך נבחרה הסיסמה "אחדות לוחמת" לסמן את תחילת המתקפה. מרדכי רענן, מפקד האצ"ל בירושלים, הדגיש בדבריו ללוחמים שרוכזו לצורך הפעולה, כי חל איסור לפגוע בנשים, ילדים, זקנים ושבויים. הוא הוסיף ואמר, כי תושבי הכפר יוזהרו בעזרת רמקולים על המתקפה הקרבה, על מנת לתת להם הזדמנות לנוס על נפשם, וכי הדרך לעין כארם, שיועדה להיות נתיב מילוט לתושבי הכפר, תישאר פתוחה לשם כך.
למפקד הפעולה התמנה בן ציון כהן ("גיורא").
הקרב.
בשעה 04:00 בבוקר 9 באפריל 1948 הותקף הכפר. אנשי האצ"ל תקפו משכונת בית הכרם מכיוון דרום-מזרח ואנשי הלח"י מבית-החרושת לעורות בגבעת שאול מכיוון צפון-מזרח, בפיקודו של פתחיה זליבנסקי. כיתה של האצ"ל בפיקודו של טרייביש הוצבה על רכס השראפה (הר הרצל) שחלש על הכפר ועל הדרך לעין כארם, שיועדה להיות נתיב מילוט לתושבי הכפר, ומאוחר יותר הציב שם גדוד "מוריה" של "ההגנה" חוליית מקלע לחסום תגבורת ערבית מעין כארם.
בקרבת מקום, בגבעת שאול, הוקם חפ"ק (חבורת פיקוד קדמית) של "ההגנה" שבו נמצא מפקד ירושלים דוד שאלתיאל ביחד עם מפקד גדוד "מוריה", זלמן מרט. במקום נמצא משוריין לחילוץ נפגעים. על פי עדותו של סגן מפקד הכוח, יהודה לפידות, לפני תחילת הקרב התכוונו כוחות אצ"ל ולח"י לוותר על אפקט ההפתעה ולהודיע לתושבי הכפר על תחילת התקיפה, כדי שלנשים ולילדים יהיה מספיק זמן לברוח מהכפר. למעשה הקרב התחיל סמוך לשעה 4:45 לפנות בוקר, לפני השעה המתוכננת, לאחר שכוחות אצ"ל התגלו על ידי שומרי הכפר. המשוריין (בו ישבו עשרה לוחמים, חציים מלח"י וחציים מאצ"ל) נושא הרמקול, יצא מגבעת שאול סמוך ל-5 בבוקר, לאחר שהקרב כבר החל. המשוריין הופעל אך נתקל בכניסה לכפר בתעלה שנחפרה לרוחב הדרך, וההודעה שנמסרה בו הושמעה, אך לא ברור אם היה מי ששמע אותה. עם זאת, לשמע היריות הראשונות ברחו תושבים רבים מבתיהם לעבר המורדות הסמוכים.
במהלך הקרב, לאחר שלוחמי אצ"ל ולח"י לא הצליחו לכבוש את בית מוכתר הכפר, חבר אליהם כוח של ארבעה אנשי פלמ"ח עם מרגמת 52 מ"מ (2 אינץ'), שירתה על הבית בניסיון להכניעו, אך גם ניסיון זה לא הועיל והלוחמים הערבים המשיכו להילחם גם לאחר שרוב הכפר נכבש ותושביו ברחו או נכנעו. בצהרי יום שישי תוגברו התוקפים ב-12 אנשי פלמ"ח מלווי שיירות, שהיו חמושים בשתי מרגמות 52 מ"מ ובשלושה מקלעים. הם פעלו בכפר וכבשו בתים, עד ששאלתיאל פקד עליהם לעזוב את הכפר. על אף שמטרת המבצע הייתה לכבוש את הכפר ולפנות את האוכלוסייה ממנו, התפתחו הדברים לכדי קרב, שבמהלכו נהרגו רבים מתושבי הכפר, ובהם נשים וילדים. ללוחמי האצ"ל והלח"י, שלא היו מאומנים או מנוסים בלחימה ביום ובתקיפה של כפר ערבי, נגרמו 5 הרוגים ו-14 פצועים. הקרב הסתיים בשעות אחר הצהריים.
תוך הקרב ברחו מאות מתושבי הכפר לכפר הסמוך עין כארם. אלה שנותרו בכפר נכנעו ונלקחו בשבי, רובם נשים וילדים. הם הועמסו על משאיות והוסעו דרך רחובות ירושלים המערבית אל שכונת הגבול מוסררה, מצפון לחומת העיר העתיקה, שם הורדו מהמשאיות וצעדו ברגל למזרח ירושלים. מראה הניצולים עורר כעס בקרב תושבי העיר הערבים.
האצ"ל חשש כי חיל האוויר הבריטי יתקוף את הכפר והודיע להגנה כי לא יוכל להחזיק בו. ראש משלחת הצלב האדום, ז'אק דה-רנייה, הגיע לכפר ב-11 באפריל בבוקר עם אמבולנס ומשאית, לפי בקשת הערבים. לאחר סיור בכפר הוא תבע להעמיס על המשאית גופות של הרוגים ויצא מהכפר תוך שחילץ שתי ניצולות: ילדה וזקנה. לאחר שהערבים סירבו לקבל את הגופות החזירן לאחר 24 שעות לדיר יאסין, וביקש מהנוכחים לקוברן בקבר אחים כדי שלא תפרוץ מגפה, אך במקום לקוברן הם ניסו להיפטר מהן בהצתתן באש. שלושה ימים לאחר הקרב החליפה את כוחות האצ"ל, שחששו מתגובה בריטית, יחידת גדנ"ע של "ההגנה" בפיקודו של יהושע אריאלי והם קברו את הגופות שנשארו בכפר.
הנציב העליון, אלן גורדון קנינגהם, התייעץ עם מפקד הצבא הבריטי, גורדון הולמס אלכסנדר מקמילן לגבי תגובתם. מקמילן, כדרכו בסוף המנדט הבריטי, סירב לסכן את כוחותיו שלא למען אינטרסים בריטיים טהורים. קנינגהם פנה למפקד חיל האוויר המלכותי שלו בבקשה להפציץ את הכפר מהאוויר, אלא שהלה הודיע כי יום קודם לכן נשלחו כל המפציצים הקלים למצרים, והתחמושת שלהם נשלחה לבסיס חבניה שבעיראק, ונדרשת יממה לכל הפחות על מנת לרכזם שוב. כיוון שבינתיים כבר עזבו כוחות אצ"ל ולח"י את הכפר לא היה טעם בניסיון להחזירם.
עדויות לגבי הרג נשים וילדים.
לוחם הלח"י עזרא יכין, שהשתתף בקרב, מונה כמה סיבות לכך שבמהלך כיבוש הכפר נהרגו גם חפים מפשע. לדבריו, בקרב התושבים הפלסטינים היו גם נשים לוחמות, ולוחמים אחרים התחפשו לנשים כדי להתקרב ולפגוע בכוחות היהודיים, ומשום כך התקשו הלוחמים היהודיים להבחין בין נשים מעורבות בלחימה ובין חפות מפשע. טענות אלו שנויות במחלוקת. מקורן ככל הנראה בספר "על החומות" מאת יהושע אופיר. בהתבססו על דו"ח שכתבה ועדה מטעם ההסתדרות הרפואית העברית, כתב קצין הש"י של המחוז, יצחק לוי (לויצה), כי "גרסה זו אינה ראויה להתייחסות רצינית". הוועדה ביקרה בכפר למחרת כיבושו, ואף שנמצאו בחיפוש בבתים גופות נקובות כדורים של נשים וילדים, לא נמצאו שם גוויות של גברים. יאיר צבן, שהשתתף בקבורת הגופות, מסר בעדות שנתן לאתר זוכרות, שראה במו עיניו כמה מקרים (שניים או שלושה) של גופות זקנים לבושים בבגדי נשים.
באופן דומה סתר יצחק לוי את הטענה שחלק מהאזרחים נפגעו באש המגינים הערבים של הכפר. לדברי יואב גלבר, רימונים שזרקו לוחמים יהודים אל תוך חדרים, מתוך חשש שנמצאים בהם לוחמים ערביים, הובילו לפגיעה באזרחים, שנותרו בבתיהם. לדעתו, בתנאים בהם התנהלה מלחמת האזרחים בראשית מלחמת העצמאות ההבחנה בין לוחמים לאזרחים הייתה קשה, וכל גבר צעיר נחשב ללוחם פוטנציאלי. בנוסף, בניגוד לכיבוש רוב הכפרים במלחמה, הלחימה בדיר יאסין התנהלה בנוכחות אוכלוסייה אזרחית, שלא נמלטה לפני תחילת ההתקפה על הכפר.
לדברי אליעזר טאובר, לאנשי האצ"ל והלח"י לא היה כל ניסיון קרבי והם הופתעו מההתנגדות העזה של מגיני הכפר ומהלחימה על כל בית. לכן הם השתמשו בשיטה של הנחת אצבע ג'ליגנייט כדי לפעור חור בדלת, דרכו זרק לוחם אחר תרמיל מלא חומר נפץ. האנשים בבתים נקברו תחת ההריסות. במקרים אחרים הושלכו לתוך הבתים רימוני יד ואז הלוחמים התפרצו לבתים כשהם יורים אש אוטומטית. באחד הבתים נהרגו בפיצוץ יותר מעשרים אנשים.
ילד בן שתים-עשרה שניצל סיפר כי אנשי המחתרות הרגו ילדים ונשים ביריות, בכוונה תחילה, ולא תוך כדי קרב. בגרסה זו של ילד קטן תומכות עדויות של בריטים, של אנשי הצלב האדום, ושל אנשי "ההגנה" שביקרו במקום לאחר מעשה ודיווחו על גופות של נשים וילדים שנורו מטווח קצר. לפי המחקר של אליעזר טאובר מדובר במקרה יחיד, בו לאחר שנכנעו בני משפחת זיידאן ויצאו מהבית בידיים מורמות, פתח עליהם לוחם אצ"ל באש ממקלע ברן. בתקרית זו נהרגו 11 מבני המשפחה ואחרים נפצעו. הלוחם עשה זאת ביוזמתו האישית, בטענה של נקמה.
בעקבות הקרב.