Vào Ngày Yêu nước, thứ Hai, 15 tháng 4 năm 2013, cuộc đua hàng năm Marathon Boston đã được tổ chức mà không có dấu hiệu cho có vụ tấn công nào sắp xảy ra.[14] Các nhân viên đã rà bom mìn khu vực hai lần trước khi xảy ra các vụ nổ, một trong những đợt rà quét diễn ra một giờ trước khi quả bom nổ. Mọi người có thể đến và đi một cách tự do, và tự do mang đồ vật trong và ngoài khu vực.[15] Hơn 5.700 vận động viên vẫn chưa về đích tại thời điểm vụ nổ.[16]

Vụ tấn công khủng bố xảy ra hơn hai giờ sau khi các vận động viên đầu tiên chạy qua vạch đích. Hai tiếng nổ được ghi nhận tại quảng trường Copley, gây nên cảnh tượng hỗn loạn và những tiếng la hét. Nhiều cửa sổ bị vỡ, các rào chắn bị gãy, trong khi khói bốc lên cao. Các tòa nhà xung quanh bị rung chuyển, khiến nhiều người phải trốn xuống dưới những chiếc bàn.

Hai quả bom đã nổ tung "trong vòng vài giây" và cách nhau trong phạm vi từ 46 đến 91 mét (151 đến 299 ft), giết chết 3 người – Krystle M. Campbell, Lữ Lệnh Tử (吕令子), và Martin Richard – và làm bị thương 183 người.[17][18][19][20] Video từ vạch đích cho thấy một khoảng thời gian khoảng 12 giây giữa hai vụ nổ, vụ nổ đầu tiên ở bên ngoài Marathon Sports tại 671 phố Boylston[20][21]. Đồng hồ đua tại vạch đến đích chỉ 04:09:43 (4 giờ, 9 phút, và 43 giây kể từ khi bắt đầu cuộc đua) tại thời điểm vụ nổ đầu tiên, trong vòng vài phút của thời gian cao điểm của cuộc đua Marathon Boston 2012 cho những người về đích marathon[22][23]. Những người giành chiến thắng đã vượt qua vạch kết thúc khoảng hai giờ trước đó; những vận động viên chạy khác vẫn còn đang đến [21]. Cửa sổ cửa hàng gần đó bị thổi bay.[21]

Các quan chức thực thi pháp luật cho biết, họ tin rằng vụ nổ là do bom tự chế, và có thể đã có mảnh bom[24][25]. Không có đe dọa đáng tin nào trước cuộc đua[14].

Trong một cuộc họp báo ngày 16 tháng 4, thống đốc Deval Patrick cho rằng "chỉ có hai thiết bị nổ", hai thiết bị đã phát nổ.[26] Các báo cáo ban đầu mâu thuẫn về việc liệu các quả bom khác nữa đã được tìm thấy, với nhiều gói túi đồ hoặc gói bị nghi ngờ ban đầu được phát hiện.[14][27][28][29][30][31] Boston Police Bomb Squad ban đầu cho biết rằng họ đang thực hiện một kiểm soát nổ của một trong các gói tìm thấy trên các khối nhà 600 phố Boylston,[32][33] nhưng sau đó cho biết không có các thiết bị khác ngoài hai quả bom phát nổ đã được tìm thấy.[34]