しかしシモン・ペレス国防相は同時に軍事的手段の実行による解決を模索し、イスラエル国防軍に作戦の検討を指示した。ただちにイスラエル国防軍は後述のようにエンテベ国際空港の構造やウガンダ軍の配置状況を調べるとともに、解放された人質からテロリストの配置状況の情報収集を行うなど、軍事的手段による人質解放作戦の実施を検討し、それらを元にした綿密な立案の下に、ペレス国防相に対して「軍事的手段の行使による人質の解放が可能である」との報告を出した。これを受けてラビン首相は軍事的手段による人質解放作戦「オペレーション・サンダーボール（サンダーボルト作戦）」 の実施を決意し、イスラエル国防軍の派遣を決定した。なお、事件後に公開された多くの文献が、ペレス国防相を除く当時のイスラエルの内閣は軍事的手段の成功に見込みを持っておらず、パレスチナ人テロリストの釈放準備を整えていたことを示している。
イツハク・ラビン首相率いるイスラエル政府は、人質の釈放に向けてアミン大統領への直接交渉を行うのみならず、アメリカやソ連を経由してアミン大統領に交渉を働きかけるなど多数の政治的手段を試みた。特にイスラエルの退役軍人のバー・レフ将軍は、ウガンダ軍への軍事訓練を通じて、かつて親イスラエル派であったアミン大統領との長年の知己であり、個人的な強い繋がりを持つと考えられた。内閣の要請でレフは人質の釈放を求め電話でアミン大統領と何度も話したが、交渉は難航していた。その後の交渉の難航とハイジャック犯からの人質殺害の脅しを受けて、人質の家族の多くがイスラエル政府に対しパレスチナ人テロリストの釈放の要求を行うなど国内世論は割れ、実際にラビン首相はパレスチナ人テロリストの釈放の検討を行った。
エンテベ国際空港に到着した後で、さらに4人のテロリストがウガンダ政府の支援のもとハイジャック機に合流した。彼らを援護したウガンダのイディ・アミン大統領は、かつては親イスラエル派であったものの、イギリスをはじめとする西側諸国や近隣諸国との対立の中で反イスラエル派に転じていた。256人の乗客はイスラエル人およびユダヤ人を残し解放された。残された乗客はエンテベ国際空港の旧ターミナルビルのトランジット・ホールで人質となった。犯人グループはイスラエルで服役中のテロリスト40名に加えてドイツ・フランス・スイスなどで服役中のテロリストの釈放を要求し「要求が応じられない場合人質を殺害する」として脅迫した。その後アミン大統領は、自らエンテベ国際空港に出向き人質と会見し「人質の解放に向けてイスラエル政府と交渉を行う」と語り、この光景をテレビカメラに撮らせ世界各国に配信し中立の立場を装った。その後犯人グループは、ユダヤ人およびイスラエル人以外の乗客を救援のために派遣された別のエールフランス機に乗せることを発表した。139便のミケル・バーコス機長は犯人グループに「人質の安全は自分の責任である」と伝え、人質を残して去りはしないと伝えた。全乗務員は自らの意志でバーコスと行動を共にしエンテベ国際空港に残った。彼らが後に解放されパリに帰還したとき、バーコスはエールフランスの上司に叱責され職務停止の処分を受けた。しかしその後職務に復帰するとともに、レジオンドヌール勲章が贈られた。また、フランス人の尼僧も解放されることを拒否し人質の身代わりになることを要求したが、彼女はウガンダ兵によってエールフランス機への搭乗を強要された。
車両甲板は第一青函丸、第二青函丸と同様、可動橋の架かる船尾端は3線で、すぐに中線が分岐して車両甲板の大部分で4線となるよう軌道が敷設され、車両甲板船首には船員居住区があり、4線ともその直前で横並びの終点で、各線に自動連結器付き車止めが設置されていた。各線の軌道有効長とワム型貨車積載両数は、左舷の船1番線から右舷の船4番線にかけて、それぞれ94m　12両、94m　12両、64m　8両、94m　12両で、計44両の積載が可能であった。当時就航中の翔鳳丸型は船内軌道3線であったが、中線の船2番線は船体中央部の機関室囲壁で行き止まりのため、機関室囲壁より船首側では、船1番線と船3番線は近接して、船体中心線からの距離は比較的短かった。また第一青函丸、第二青函丸は4線であったが、上部構造物が小さく重心が低かった。このため、これら6隻では、車両積卸し時、船体横傾斜ゼロから、積卸し側の舷側ヒーリングタンクと船外との注排水だけで船体横傾斜を制御できていた。しかし、本船では船橋楼甲板全通による上部構造物増加で、重心が上昇したため、車両積卸し時の船体横傾斜が増大し、このような方法では、当時の可動橋の船体傾斜追従性能を越えてしまうため、両側のヒーリングタンクにそれぞれ半分量の海水を入れておき、船1番線、船4番線積込み前に予め反対側へ2度船体を傾け、積込み時には両側のタンク間で海水移動を行って横傾斜を2度以内に収める操作が必要になり、後部船橋からのヒーリング操作の重要性が増していた。なお、第二青函丸同様、ボイラーからの煙路を車両甲板両舷側に振り分けたため、ヒーリングタンクをボイラー室舷側へは設置できず、前隣の第2船艙舷側への設置となったが、煙路を支障しない程度にヒーリングタンク後部をボイラー室舷側へはみ出させ、ヒーリングポンプをボイラー室前部のポンプ室に配置することで、両舷タンク間の移水パイプを前後に引きまわすことなく設置できた。このヒーリング装置は翔鳳丸型、第一青函丸、第二青函丸と同じシステムを踏襲し、ヒーリングポンプには第一青函丸、第二青函丸と同容量（2,000m³/h×7.0m（水頭））で吐出方向一定の汽動式遠心ポンプを用い、ポンプの前後に配置された2個の4方コックの栓を所定位置まで回す電動機は船内電力交流化により交流電動機が用いられ、船橋楼甲板船尾端の後部船橋からの遠隔操作で、全てのヒーリング操作が可能であった。