La prise d’otage s’est terminée le 6 septembre dans un bain de sang, coûtant la vie à onze membres de l’équipe olympique israélienne, à cinq des huit terroristes et à un policier allemand.
Le groupe terroriste demandait la libération et le passage en Égypte de 234 Palestiniens prisonniers en Israël, ainsi que de deux autres prisonniers en Allemagne. Israël répondit immédiatement et très fermement qu’il n’y aurait aucune négociation. Les autorités allemandes par la voix de leur chancelier Willy Brandt et du ministre de l’Intérieur Hans-Dietrich Genscher refusèrent l’offre d’Israël d’envoyer une unité des forces spéciales israéliennes en Allemagne. La police allemande qui prit part à l’opération n’avait pas de formation spécifique aux opérations de sauvetage d’otages.
D’après le journaliste John K. Cooley, l’attaque fut un cauchemar pour les Allemands car les otages étaient juifs. Cooley a écrit que les Allemands ont offert aux Palestiniens de leur donner tout l’argent qu’ils voulaient s’ils libéraient les otages. Ils ont aussi offert de remplacer les athlètes israéliens par des officiers allemands de haut rang. Les deux offres furent rejetées (Cooley, 1973).
Les dates limites pour l’exécution d’otages furent d’abord retardées de trois heures, puis de cinq heures de plus, les autorités allemandes tentant de négocier. Le chef de la police allemand Manfred Schreiber et Ahmed Touni, le chef de l’équipe olympique égyptienne, négociaient directement avec les preneurs d’otages, offrant encore autant d’argent qu’ils le souhaiteraient. D’après Cooley, ils se sont vus répondre : « L’argent n’a aucune importance pour nous ; nos vies n’ont aucune importance pour nous« . Les ambassadeurs tunisiens et libyens en Allemagne tentèrent aussi d’obtenir des concessions des preneurs d’otages, mais sans succès.
Les preneurs d’otages demandèrent à êtres transportés vers Le Caire. Les autorités firent mine d’accepter, et à 22h10, deux hélicoptères transportèrent les preneurs d’otages ainsi que les otages à la base aérienne de Fürstenfeldbruck où un Boeing 727 les attendait. Les preneurs d’otages pensaient être en route vers Riem, l’aéroport international près de Munich. Les autorités avaient prévu d’attaquer les preneurs d’otages à la base aérienne.
Cinq tireurs d’élite Allemands furent choisis pour tirer sur les preneurs d’otages, mais aucun d’entre eux n’avait reçu de formation spécifique. Ils furent choisis parce qu’ils pratiquaient le tir de compétition sur leur temps libre. Durant une enquête allemande après les faits, un officier identifié sous le pseudonyme de Tireur d’élite numéro 2 a dit : « Je ne me considère pas comme un tireur très précis« .
Les tireurs d’élites furent situés à l’aéroport, mais les autorités furent surprises de découvrir qu’il y avait en fait huit preneurs d’otages. Il n’y avait pas de chars ni de véhicules blindés déployés à l’aéroport. D’après John Cooley, un ou peut-être deux officiers israéliens assistèrent à l’opération. Serge Groussard, auteur du livre La médaille de sang, cita le chef du Mossad Zvi Zamir et un de ses bras droits, mais comme observateurs seulement. Zamir a dit à plusieurs reprises qu’il n’a jamais reçu de demande de conseil ou d’assistance de la part des Allemands à aucun moment durant l’opération de sauvetage. Un article du New York Times qui suggéra que le ministre de la Défense israélien Moshe Dayan était présent n’a jamais été confirmé.
Il y eu ensuite 75 minutes d’échanges de coups de feu, durant lesquelles la police allemande demanda tardivement l’assistance de véhicules blindés, mais ces derniers mirent plus de 30 minutes à arriver à cause du trafic automobile.
Les hélicoptères atterrirent peu après 22h30 et six des preneurs d’otages en sortirent. Pendant que quatre des preneurs d’otages gardaient les pilotes en respect avec leurs armes, deux allèrent inspecter le jet, et le trouvèrent vide. Réalisant être tombés dans un piège, ils coururent rapidement à nouveau vers les hélicoptères, et vers 23h00, les autorités Allemandes donnèrent l’ordre aux tireurs d’élites d’ouvrir le feu.
Les cinq tireurs d’élite allemands n’avaient pas de contact radio entre eux et ne pouvaient donc pas coordonner leurs tirs. Leurs fusils n’avaient pas de lunettes ni d’équipements de vision de nuit. Dans le chaos qui s’ensuivit, deux preneurs d’otages se tenant près d’un pilote furent tués, un troisième mortellement blessé en fuyant. Les trois preneurs d’otages restant se mirent à couvert, tirèrent en réponse et détruisirent toutes les lumières de l’aéroport qu’ils pouvèrent tout en restant à couvert. Un policier allemand, Anton Fliegerbauer, fut tué par les échanges de feu. Les pilotes d’hélicoptère s’enfuirent, mais les otages, attachés dans l’appareil, ne pouvaient pas bouger. La situation s’enlisa.
Les véhicules blindés arrivèrent finalement vers minuit, permettant de sortir de l’enlisement. D’après Cooley, à minuit et 4 minutes le 6 septembre, un des preneurs d’otages sauta du premier hélicoptère. Il se tourna et tira sur les otages, tuant Springer, Halfin et Friedman et blessant Berger. Ensuite il dégoupilla une grenade et la jeta dans le cockpit, où elle explosa. Alors que le premier hélicoptère brûlait, d’après Cooley, les preneurs d’otages tiraient sur les camions de pompiers pour les empêcher de s’approcher.
Avant que le feu du premier hélicoptère atteigne le réservoir du deuxième hélicoptère, deux preneurs d’otages émergèrent de derrière celui-ci et firent feu vers la police, qui répliqua et les tua. Les cinq otages du deuxième hélicoptère moururent sous les coups de feu durant la bataille. Une enquête de police détermina que quelques-uns des otages avaient pu être tués par la police dans le feu de l’action. Cependant, une reconstruction des événements par Time Magazine suggère qu’un des preneurs d’otages avait tué les otages. Les causes exactes de la mort de ces otages n’a pas pu être établie avec précision car les corps furent brûlés par le feu et les explosions des hélicoptères.
Trois des preneurs d’otages, vivants et relativement peu blessés, furent capturés par la police allongés au sol, deux d’entre eux simulant la mort. Le dernier preneur d’otage fut retrouvé par des chiens et des gaz lacrymogènes 40 minutes plus tard, et tué lors d’échanges de coup de feux avec la police. À 12h30 ce jour-là, la bataille était terminée.