Ofiary, których ręce były związane za plecami, wprowadzano do jaskiń grupami po pięciu, po czym zmuszano do uklęknięcia. Po ustaleniu personaliów skazańców oficer SS skreślał nazwiska z listy, a następnie jego podwładni mordowali ofiary strzałem w tył głowy. Egzekucja odbywała się w świetle płonących pochodni. W późniejszej fazie masakry zmuszano skazańców, aby celem zaoszczędzenia miejsca klękali na zwłokach osób zamordowanych przed nimi. Członkowie plutonu egzekucyjnego znajdowali się pod wpływem alkoholu, co przekładało się na celność strzałów. Egzekucja trwała do wczesnych godzin wieczornych. Po jej zakończeniu Niemcy przy użyciu materiałów wybuchowych zasypali wejście do kamieniołomu. Nieustalona liczba ciężko rannych skazańców została w ten sposób pogrzebana żywcem.
Tego dnia w Grotach Ardeatyńskich rozstrzelano 335 mężczyzn (Włochów i Żydów). Śledczym i historykom udało się ustalić personalia 323 ofiar. Najmłodszy z zamordowanych miał 15 lat, wiek najstarszego przekroczył 70 lat.
Upamiętnienie Masakra w Grotach Ardeatyńskich stała się symbolem niemieckich zbrodni popełnionych we Włoszech w czasie II wojny światowej. Miejsce egzekucji zostało przekształcone w cmentarz i mauzoleum.