Potwierdzając ich podejrzenia, śmigłowce bojowe zaatakowały kilku żołnierzy Vietcongu w pobliżu Mỹ Lai, zabijając czterech z nich; później na miejscu zdarzenia zabezpieczono jedną sztukę broni.
Zgodnie z planem operacyjnym, 1. pluton dowodzony przez ppor. Williama Calleya oraz 2. pluton dowodzony przez ppor. Stephena Brooksa wkroczyły do wsi w szyku liniowym o godzinie 8:00, podczas gdy 3. pluton dowodzony przez ppor. Jeffreya U. Lacrossa oraz stanowisko dowodzenia kpt. Mediny pozostały na zewnątrz. Podczas zbliżania się oba plutony ostrzelały ludzi dostrzeżonych na polach ryżowych i w zaroślach. Wchodząc pomiędzy zabudowania, żołnierze strzelali bez ostrzeżenia do wszystkich napotkanych osób. Likwidowane były całe grupy cywilów, w tym kobiet i dzieci. Nie pomagało nawet klękanie przed żołnierzami amerykańskimi i błaganie o litość. Dokładna liczba zabitych różni się w zależności od źródła, ale najczęściej padają liczby 347 i 504. Żołnierze amerykańscy dopuszczali się także tortur i gwałtów. Najmłodsza ze zgwałconych tego dnia dziewczynek miała 12 lat.