Первыми над Горьким появились самолеты-цельфиндеры из I./KG100, несшие контейнеры Мк.250 с белыми осветительными ракетами. Чтобы скрыть главную цель налета, немцы сбросили их одновременно над Сталинским, Ленинским, Кагановичским и Автозаводским районами, а также над Окским мостом. Плавно опускаясь на парашютах, горящие ракеты осветили местность, словно подвешенные в небе люстры. Рабочий артиллерийского завода № 92 Анатолий Коровин вспоминал: «Эти люстры светили так ярко, что в городе повсюду стало светло как днем». Одновременно с бомбардировщиков было сброшено огромное число «зажигательных листочков» – кусков толстой фольги, обмазанных фосфором. Словно опавшие, пылающие в ночи листья, они медленно опускались на город, создавая ужасающее светопреставление.

Затем первая группа пикирующих бомбардировщиков Ju-88A нанесла удары по водозаборным станциям на Оке и основным узлам водопроводной сети Автозаводского района. Прогремели первые мощные взрывы, выбросившие в небо яркие языки пламени. В результате главный водовод диаметром 600 миллиметров был разрушен в шести местах, причем на нем вырвало участки длиной до 25 метров. Прямым попаданием тяжелой фугасной бомбы на перекрестке проспекта Молотова (ныне проспект Октября) и улицы Октябрьской был разрушен узел управления водоснабжения и теплофикации (колодец № 27). А в результате попадания бомб в Автозаводскую ТЭЦ, находившуюся на территории завода, там выбросило пламя котлов, что привело к немедленной остановке турбогенераторов. Одновременно вышла из строя подстанция, через которую поступала энергия из городской электросети. Таким образом, ГАЗ был полностью обесточен и лишен воды.

Тем временем к городу подходили новые группы «Юнкерсов» и «Хейнкелей», которые помимо фугасных и осколочных бомб несли тяжелые зажигалки, начиненные смесью бензина, каучука и фосфора. Пилоты эскадры KG55 «Грайф» потом вспоминали, что, даже не принимая в расчет разноцветный фейерверк от огня зенитной артиллерии всех калибров и плотную сетку лучей прожекторов, при подходе к городу первых атакующих волн самолетов было видно, что цель так хорошо освещена осветительными ракетами, что уже с большого расстояния место атаки для подлетающих машин было четко узнаваемо. Во время нахождения над целью командиры эскадр давали необходимые указания, чтобы обеспечить успех атаки всех своих экипажей.

Сектора автозавода были поделены между эскадрильями, каждый штурман держал перед собой фотоснимок подлежащего уничтожению объекта. Увидев ярко освещенные «люстрами» цеха, пилоты бомбардировщиков начали заход. Главный удар наносился по кузнечному, литейному и механосборочному корпусам.

От мощных взрывов с грохотом рушились перекрытия, взлетали в воздух станки, валились многотонные краны. Горючая смесь поджигала крыши, растекалась по стенам, расплавляя металлические балки и воспламеняя все на своем пути.

Й. Вольферсбергер из 5./KG27 «Бёльке» продолжал свой рассказ: «Мы еще в 50 километрах от цели, зенитки уже активны, также в достаточном количестве имеются прожектора. Повисла одна осветительная бомба, затем другая, внизу первые вспышки разрывов бомб. Зенитчики ведут себя нервно, они все еще не знают, какой завод мы атакуем. С короткими интервалами падают бомбы, следуют несколько сильных взрывов с последующими пожарами. Итак, наша цель перед нами.

Впереди отчетливо выделяется широкая лента Волги. Черные глубины этой большой русской реки уже часто слышали взрывы бомб, но она беззаботно течет дальше, так же как далее, не обращая ни на что внимания, течет и время, тогда как здесь, наверху, в настоящий момент всех волнует их судьба. Так, или похоже, мог думать любой в течение этих минут перед бомбежкой.

Сейчас 22.38. С одной из машин уже докладывают: «Всем бортрадистам, осветительные бомбы висят южнее завода, в середине цели пожар». Бортрадист следующего самолета сообщает о заходе на цель, и снова внизу вспышки. Зенитки посылают нам навстречу множество неприятных приветов».

После попадания большого количества фугасных и зажигательных бомб страшный пожар охватил механосборочный корпус № 1, в котором находились главный сборочный конвейер, моторный цех № 2, термический цех и цех шасси. Корпус представлял собой семипролетное здание площадью 66 500 квадратных метров, в двух пролетах которого были смонтированы мостовые краны. Конструкция была выполнена в виде металлического каркаса с заполнением стен шлакобетонными камнями и с металлическими фермами. Переплеты наружных стен и фонарей также были сделаны из железа. Крыша состояла из сборных железобетонных кровельных плит со шлаковым отеплением, покрытых рубероидом.

От огромной температуры верхние пояса ферм и основания фонарей стали плавиться, сжатые элементы потеряли устойчивость, и в итоге ряд участков здания полностью обрушился. Горение пропитанного маслами пола и технологических запасов масла довело нагрев нижней части колонн до того, что они теряли устойчивость и оседали, увлекая за собой перекрытия. На участках, где температура от пожара была меньше, фермы теряли устойчивость верхнего пояса без обрушения, но со значительными деформациями и просадками. У оказавшихся в этом аду рабочих не было никаких шансов выжить. В расположенном неподалеку литейном корпусе № 1 в результате прямых попаданий бомб взорвались доменные печи, и в небо поднялся огромный, почти километровый огненный столб.

Вольферсбергер видит это из кабины своего «Хейнкеля»: «Внизу разрывы, бомбы легли очень хорошо, а теперь – что это было? Мощный взрыв поднимает над заводом огромный огненный столб. Между тем подходят другие машины и тоже сбрасывают свой груз». Через несколько секунд его собственный самолет прошел над автозаводом, и восемь 250-килограммовых зажигательных бомб с воем устремились вниз: «Сейчас разрывы следуют один за другим, и эти бомбы также ложатся точно в цель. Завтра дальний разведчик точно определит, что мы поразили».