פשיטת צה"ל על בניין בית המלון
בהמשך הלילה סגרו כוחות הביטחון את השטח. בתים שכנים למלון סבוי פונו מדייריהם. בסביבות השעה 1 בלילה הגיעו למקום מפקדים וחיילים של יחידת סיירת מטכ"ל ונערכו לפשיטה על הבניין כדי לנסות ולחלץ את בני הערובה הכלואים בו. ראש הממשלה יצחק רבין, שר הביטחון שמעון פרס והרמטכ"ל רב אלוף מוטה גור עקבו במשך הלילה אחר אירועי הפיגוע וקיבלו מקציני ואנשי המטה הכללי דיווחים ועידכונים על המתרחש.
עם שחר בשעה 05:15 לערך פרצו ארבע חוליות מכח סיירת מטכ"ל אל המלון, בפיקודם של עמירם לוין, נחמיה תמרי, עמר בר-לב ואלון שמי. הם פרצו ממספר כיוונים של הבניין. בפריצה הפעילו המחבלים את חומר הנפץ בחדר שבו היו בני הערובה. מעוצמת הפיצוץ נהרסה חלק מהקומה העליונה של המלון. מרגע הפריצה עד שהאירוע הסתיים חלפו פחות מ-10 דקות. בהשתלטות המחלצים נהרגו שבעה מהמחבלים. מחבל אחד שנותר בחיים התגלה מאוחר יותר בין הריסות הבניין, כשהוא מפוחד והמום.
שלושה בני ערובה חולצו. ביניהם כוכבה לוי. רוב ניכר מבני הערובה נהרגו במהלך הפריצה. רובם הכמעט מוחלט אם לא כולם היו תיירים או אזרחי חוץ. כמו-כן נהרגו שניים מלוחמי הכוח הפורץ, אל"ם עוזי יאירי, מח"ט הצנחנים לשעבר שהצטרף אל הכוח וסמל איתמר בן-דוד, לוחם סיירת מטכ"ל בן ממושב כפר יחזקאל בעמק חרוד. יאירי הגיע למקום חמוש בנשקו האישי, למרות שלא היה אמור ליטול חלק בפעולת הפריצה. חבריו אנשי סיירת מטכ"ל פרצו פנימה, ויאירי החליט להסתער בעקבותיהם.
הרוגי הפיגוע
ההרוגים מקרב חיילי צה"ל: אל"ם עוזי יאירי מחט צנחנים לשעבר, סמל איתמר בן דוד וטוראי משה דויטשמן. ההרוגים מקרב אורחי ואנשי המלון הם ברובם תיירים ואלה שמותיהם וארץ מוצאם: יוהנס גאסן (גרמניה), מרי דוילרס-לובוינסקי (צרפת), מהארי סימון (אתיופיה), אשר פלדמן (הולנד), אנדרס קרהונבל (שוויץ), קטרינה מריה רוט (שוויץ), הלנה שליווסקי (צרפת), מקס הלפרין (ישראל-שוער המלון).
במהלך הפיגוע וחילופי היריות נפצעו למעלה מ-10 איש, חלקם אושפזו בבית חולים. בין הרוגי הפיגוע הנער אשר פלדמן שמוצאו מהולנד. אביו קרול פלדמן היה מבני הערובה, נפצע והוחש לבית חולים איכילוב. על-פי דיווחי העיתונות בימי אשפוזו הראשונים לא גילו לו הרופאים על מותו של בנו בפיגוע מחשש לפגיעה בבריאותו.
תפיסת אניית האם
משטרת תל אביב דיווחה לחיל-הים על שתי סירות הגומי איתם הגיעו המחבלים לחוף תל אביב. אנשי חיל-הים הגיעו לחוף ועל הסירות התגלו חומרי חבלה שהמחבלים השאירו לצה"ל. היה ברור לאחר בדיקת סירות הגומי אותם נטשו המחבלים עם נחיתתם בחוף תל אביב כי המחבלים שהגיעו הובאו לאזור חוף תל אביב באמצעות ספינת אם, שכן טווח יכולת שיוט ספינות הגומי מוגבל לכמה עשרות ק"מ.
הוזנק מטוס הרקולס עם קצין ימי כצופה שגילה אונייה קטנה במרחק רב מהחוף. שתי ספינות טילים של חיל-הים שהיו באימון הופנו אל מיקום האונייה ולכדו אותה מספר שעות לאחר תחילת הפיגוע, כ-70 מייל מערבית לחדרה, מדובר באניית מפרש קטנה בנפח 150 טון ששימשה להובלת ציוד מבירות לקפריסין והושכרה למחבלים על-ידי איש עסקים מבירות. אנשי צוות האונייה נחקרו והתברר כי אכן המדובר באונייה שממנה הורדו סירות המחבלים. אנשי צוותה נאסרו. שניים מאנשי הצוות שהיו מצריים, שוחררו, אחד נדון לעונש מאסר עולם ושלושה אחרים נדונו ל-5 עד 10 שנות מאסר.
המחבל היחידי שנותר מהפיגוע נחקר וסיפר תחילה כי הוא הוא וחבריו הגיעו ממצריים אולם כעבור זמן הודה ששיקר וכי הגיעו מלבנון. על הספינה בה הגיעו הופיעה כתובת מצרית והערכה היא שהכוונה הייתה לסבך את מצרים פוליטית ולמנוע גמול ישראלי נגד בסיסי פתח בלבנון. המחבל מוסה ג'ומעה הורשע בבית דין צבאי ונדון למוות. עונשו הומתק למאסר עולם.