Chiến dịch Opera được lên kế hoạch kỹ lưỡng vào ngày Chủ nhật để giảm thiểu thiệt hại nhân mạng với các công nhân nước ngoài và vụ tấn công được dự định vào cuối buổi chiều để Đội Cứu hộ và Giải cứu Chiến đấu Israel (CSAR) có cả đêm để cứu hộ cho các phi công Israel bị bắn rơi.

Một phi đội 8 chiếc F-16A 107, 113, 118, 129 của Không quân Israel, thuộc phi đội số 117 và 239, 240, 243 và 249 thuộc Phi đội số 110, mỗi chiếc trang bị hai quả bom nổ chậm không điều khiển Mark-84 2,000-pound và các bình nhiên liệu phụ được lập ra. Một phi đội 6 chiếc F-15A cũng được phái đi thực hiện chiến dịch để hỗ trợ những chiếc F-16A. Ilan Ramon, một phi công F-16A người sẽ trở thành nhà du hành vũ trụ đầu tiên của Israel và thiệt mạng trong thảm hoạ Tàu con thoi Columbia năm năm 2003, là người trẻ tuổi nhất tham gia chiến dịch. Khi ấy ông còn hai tuần nữa là tới 27 tuổi.

Ngày 7 tháng 6 năm 1981 lúc 15:55 giờ địa phương (12:55 GMT) kế hoạch bắt đầu được thực hiện. Lực lượng tấn công rời Căn cứ Không quân Etzion, bay ở độ cao 800 feet qua không phận Jordan và Saudi.[8]

Ở khoảng cách 1,000 km, chiến dịch gặp rắc rối với các thùng nhiên liệu phụ của những chiếc F-16A. Những chiếc máy bay được chất tải quá nặng khiến các bình nhiên liệu phụ (hai thùng 1,400 l dưới cánh và một thùng 1,100 l dưới bụng) cạn khi lực lượng tấn công vẫn trên đường tới lò phản ứng Osirak. Những thùng nhiên liệu phụ này được vứt bỏ trên sa mạc Saudi trước khi phi đội tới mục tiêu.

Ngay khi tới không phận Iraq phi đội tác ra, với hai chiếc F-15 hình thành đội hình hộ tống gần cho phi đội F-16, và những chiếc F-15 còn lại tản ra trong không phận Iraq theo chiến thuật sẵn sàng hỗ trợ. Phi đội tấn công hạ xuống độ cao 30 m trên sa mạc Iraq, tìm cách bay dưới tầm radar của các lực lượng phòng vệ Iraq.

Lúc 18:35 giờ địa phương (14:35 GMT), 20 km từ khu phức hợp lò phản ứng hạt nhân Osirak, đội hình F-16 hạ xuống 2,100 m và bổ nhào ở góc 35-độ với vận tốc 1,100 km/h, nhắm thẳng vào lò phản ứng. Ở độ cao 1,100 m, những chiếc F-16 bắt đầu ném từng cặp bom Mark 84, cách quãng 5 giây. Theo các báo cáo của Israel, tất cả 16 quả bom đều trúng vào khu phức hợp, dù hai quả được báo cáo là không nổ. Các lực lượng phòng không bắt đầu nổ súng vào phi đội khi họ lên tới độ cao 12.200 m và bắt đầu quay trở về Israel.

Theo các báo cáo của Israel các lực lượng quốc phòng Iraq không kịp bảo vệ và phản ứng quá chậm. Dù với bất kỳ lý do nào, các lực lượng phòng không của cơ sở này đã không thể làm hư hại bất kỳ chiếc máy bay tấn công nào. Dù có những lo ngại về những chiếc máy bay đánh chặn của Iraq, phi đội không gặp sự tấn công nào và quay về không phận Israel.