La tecnica utilizzata per l'agguato fu quella denominata "a cancelletto", utilizzata in precedenza anche dall'organizzazione terroristica tedesca RAF. La tecnica prevedeva di intercettare una colonna di automobili attraverso il blocco di quella di testa, immobilizzando poi la colonna bloccando l'auto di coda.
La colonna con Aldo Moro era composta da due auto: quella su cui viaggiava l'uomo politico e quella di scorta, che lo seguiva. Il piano venne attuato da 11 persone (come emerse dalle indagini giudiziarie, ma il numero e l'identità dei reali partecipanti è stato messo più volte in dubbio ed anche le confessioni dei brigatisti sono state contraddittorie su alcuni punti).
Le fasi dell'agguato
Alle 8:45 i componenti del nucleo armato brigatista, di cui i quattro incaricati di sparare indossavano uniformi da avieri civili (uniformi Alitalia), si disposero all'estremità di via Mario Fani, una stretta strada in discesa nel quartiere Trionfale, all'incrocio con via Stresa. Mario Moretti, componente del Comitato Esecutivo delle Brigate Rosse e principale dirigente della colonna romana, si appostò nella parte alta della strada, sul lato destro, alla guida di una Fiat 128 con targa falsa del Corpo diplomatico. Davanti alla macchina di Moretti si posizionò un'altra Fiat 128 con a bordo Alvaro Lojacono e Alessio Casimirri. Entrambe le auto erano rivolte in direzione dell'incrocio.
Sul lato opposto venne parcheggiata una terza Fiat 128, alla cui guida vi era Barbara Balzerani, rivolta invece verso via Stresa, nella direzione di provenienza dell'auto di Moro. A qualche metro dall'incrocio con via Fani, lungo via Stresa, era posizionata la quarta e ultima auto, una Fiat 132 blu guidata da Bruno Seghetti. Il gruppo di fuoco, composto da quattro brigatisti, era appostato dietro le siepi di un locale, il bar "Olivetti", chiuso per lavori, ubicato sull'angolo dell'incrocio.
Moro uscì dalla sua casa, in viale del Forte Trionfale, poco prima delle 9:00, salendo su di una Fiat 130 blu, alla cui guida vi era l'appuntato Domenico Ricci e, seduto accanto a lui, il maresciallo Oreste Leonardi, capo scorta, considerato la guardia del corpo più fidata. La 130 era seguita da un'Alfetta bianca, con a bordo gli altri uomini che componevano la scorta: il vice brigadiere Francesco Zizzi e gli agenti di polizia Giulio Rivera e Raffaele Iozzino.
L'agguato scattò non appena il convoglio su cui viaggiava Moro imboccò via Fani dall'alto, dirigendosi verso il basso e fu Rita Algranati a segnalare l'arrivo delle due auto, con un mazzo di fiori.
La macchina di Moretti si mise davanti all'auto di Moro e, giunta all'incrocio, si arrestò di colpo in mezzo alla strada; rimane non chiaro se la Fiat 128 CD avesse i segnali di frenata disattivati. La 130 con all'interno Aldo Moro si fermò dietro all'auto di Moretti, trovandosi bloccata dall'Alfetta della scorta, che la stava seguendo a breve distanza. La macchina di Moro e quella della scorta furono quindi intrappolate dalla 128 di Lojacono e Casimirri, che si mise di traverso dietro l'auto della scorta di Moro.
A questo punto entrò in azione il gruppo di fuoco: da dietro le siepi sbucarono quattro uomini vestiti con uniformi del personale Alitalia sparando con pistole mitragliatrici. Dalle indagini giudiziarie questi vennero identificati in: Valerio Morucci, esponente molto noto dell'estremismo romano ritenuto un esperto di armi, Raffaele Fiore, proveniente dalla colonna brigatista di Torino, Prospero Gallinari, clandestino e ricercato dopo essere evaso nel 1977 dal carcere di Treviso, e Franco Bonisoli, proveniente dalla colonna di Milano. Erano tutti e quattro militanti fortemente determinati e già provati in precedenti azioni di fuoco. L'azione si ispirò a un'analoga tecnica della RAF, i terroristi di estrema sinistra tedesca.
I quattro brigatisti, travestiti da assistenti di volo, si portarono molto vicini alle due auto ferme allo stop; Morucci e Fiore sparano contro la Fiat 130 con Moro a bordo mentre Gallinari e Bonisoli aprirono il fuoco contro l'Alfetta di scorta. Secondo le ricostruzioni dei brigatisti, tutti e quattro i mitra si sarebbero successivamente inceppati: Morucci riuscì ad eliminare subito il maresciallo Leonardi ma poi si trovò in difficoltà con il suo mitra, l'arma di Fiore invece si sarebbe inceppata subito e quindi l'appuntato Ricci inizialmente sopravvisse e poté tentare varie disperate manovre per svincolare l'auto dalla trappola; una Mini Minor parcheggiata sulla destra della strada intralciò ulteriormente ogni movimento. In pochi secondi Valerio Morucci risolse i problemi con la sua arma e ritornò vicino alla Fiat 130 uccidendo con una raffica anche l'autista di Moro.
Contemporaneamente Gallinari e Bonisoli spararono contro gli uomini della scorta sull'Alfetta: Rivera e Zizzi furono subito mortalmente feriti ma Iozzino, relativamente riparato sul sedile posteriore destro, poté uscire dall'auto e rispondere al fuoco con la sua pistola favorito anche dall'inceppamento dei mitra dei due brigatisti. In breve Gallinari e Bonisoli impugnarono le loro pistole e anche l'ultimo agente fu ucciso e cadde a terra sulla strada.
Subito dopo lo scontro a fuoco, Raffaele Fiore fece uscire Aldo Moro dalla Fiat 130 e, aiutato da Mario Moretti, lo fece entrare nella Fiat 132 blu che Bruno Seghetti aveva avvicinato allo stop; subito dopo i due brigatisti salirono a bordo e l'auto si allontanò lungo via Stresa subito seguita dalla 128 bianca di Casimirri e Lojacono su cui era salito anche Gallinari. Infine Valerio Morucci raccolse dalla Fiat 130 due delle borse di Moro e passò alla guida della Fiat 128 blu che si mosse, con a bordo anche la Balzerani e Bonisoli, dietro le altre due auto. L'azione era durata appena tre minuti, dalle ore 09.02 alle ore 09.05.