Cho sử dụng hai khẩu súng ngắn bán tự động: Walther P22 nòng.22, và Glock 19.[9] Vụ bắn giết diễn ra vào những thời điểm khác nhau, khởi đầu ở tòa nhà West Ambler Johnston, rồi mới tới tòa nhà Norris.

Tòa nhà West Ambler Johnston

Khoảng 6:45 sáng giờ miền Đông, người ta thấy Cho xuất hiện ở lối vào West Ambler Johnston Hall, tòa nhà này là ký túc xá chứa 894 sinh viên nam nữ.[2][9] Trước 10 giờ sáng, người ta phải sử dụng chìa khóa từ mới có thể vào bên trong. Cho có hộp thư trong hành lang tòa nhà nên chỉ có thể vào sau 7:30. Vẫn chưa biết rõ làm thế nào mà trong thời điểm ấy Cho có thể vào tòa nhà.[2]

Khoảng 7:15 sáng, Cho bắn các nạn nhân đầu tiên: một nữ sinh viên năm thứ nhất 19 tuổi, Emily J. Hilscher, đến từ Woodville, Virginia; Ryan C. Clark, 22 tuổi, sinh viên năm thứ tư cũng là một quản lý trong ký túc xá, cả hai bị bắn chết trong phòng của Hilscher.[10] Cho rời hiện trường trở lại phòng trọ của mình. Trong khi cảnh sát và nhân viên y tế đang có mặt ở ký túc xá kề bên, Cho thay áo quần dính máu, mở vi tính để xóa e-mail, và gỡ bỏ ổ cứng. Khoảng một giờ sau vụ tấn công thứ nhất, có người thấy Cho gần một cái ao trong trường. Giới chức trách nghi ngờ Cho đến đó để ném xuống nước ổ cứng máy tính và điện thoại di động, nhưng sau khi dò tìm, họ không có được gì.[11][12]

Gần hai giờ sau vụ bắn giết đầu tiên, Cho đến một bưu điện gần đó để gởi một gói hàng đến NBC News, trong đó có những ghi chép của Cho và một băng video; dấu bưu điện trên gói hàng ghi 9:01 a.m. rồi đi bộ đến địa điểm thứ hai. Trong ba-lô, Cho mang theo vài dây xích, ổ khóa, một cái búa, một con dao, hai khẩu súng, 19 ổ đạn với 10 và 15 phát mỗi ổ, và gần 400 viên đạn.[2]

Tòa nhà Norris

Hai giờ sau vụ bắn đầu tiên, Cho bước vào tòa nhà Norris, dùng dây xích khóa chặt ba cửa ra vào, mỗi chỗ đặt một thông báo cho biết bom sẽ nổ nếu ai đó cố mở cửa. Một thành viên ban giảng huấn thấy tờ thông báo vội đem lên tầng ba để báo cho ban lãnh đạo nhà trường. Nhưng ngay lúc ấy, Cho đã lên tới tầng hai và bắt đầu xả súng vào sinh viên và giảng viên.[2][14]

Trước đó, có người thấy Cho thò đầu vào một vài phòng học. Erin Sheehan, một nhân chứng và là người sống sót ở phòng 207, thuật cho báo chí rằng sát thủ "nhìn vào hai lần", và "lấy làm lạ vì đến thời điểm này của học kỳ mà vẫn có người còn bị lạc, phải đi tìm phòng học".[15] Vụ bắn giết đầu tiên trong tòa nhà Norris xảy ra khi Cho bước vào lớp thủy văn học nâng cao của Giáo sư G. V. Loganathan ở phòng 206. Trước tiên, Cho bắn chết giáo sư, rồi tiếp tục nã đạn cướp mạng sống 13 sinh viên và làm bị thương hai người khác; chỉ có hai sinh viên sống sót mà không bị thương tích.[2] Kế đó, Cho băng qua hành lang tới phòng 207, Christopher James Bishop đang dạy tiếng Đức, sau khi giết chết Bishop, Cho bắn vào sinh viên làm 4 người thiệt mạng và 6 người bị thương.[2] Cho đến phòng 211 và 204, nạp đạn vào súng, bắn giết sinh viên và giáo sư trong phòng học cũng như ở hành lang, rồi quay lại một vòng các lớp học. Đến cuối cuộc tấn công lần thứ hai, 9 phút sau khi 911 nhận cuộc gọi, tổng cộng kéo dài từ 10 đến 12 phút, Cho đã bắn 174 phát đạn,[16] sát hại 30 người, và làm 17 người khác bị thương.[2][17] Sydney J. Vail, giám đốc trung tâm chấn thương Bệnh viên Carilion Roanoke Memorial, nói rằng việc Cho chọn loại đạn 9 mm đầu lõm đã làm nặng các vết thương hơn.[18]

Cảnh sát phải mất gần năm phút mới có thể vào trong tòa nhà. Khi lên đến tầng hai, cảnh sát nghe tiếng súng sau cùng của Cho.[9][19] Cảnh sát tìm thấy Cho chết trong phòng 211, lớp học của Jocelyne Couture-Nowak, với một phát đạn vào đầu.[17] Trong cuộc điều tra, Giám đốc Cảnh sát Tiểu bang William Flaherty tường trình rằng đã tìm thấy 203 viên đạn chưa sử dụng, "Hắn đã chuẩn bị kỹ để tiếp tục cuộc tàn sát".[20]

Một sinh viên tên Jamal Albarghouti sử dụng điện thoại di động ghi lại một phần vụ tấn công từ bên ngoài tòa nhà Norris. Đoạn phim này đã được phát sóng trên nhiều kênh tin tức.

Nikolas Macko, một sinh viên của trường Virginia Tech, thuật cho BBC News những điều chứng kiến trong vụ thảm sát.[21] Macko đang ở trong lớp khoa học vi tính phòng 205, nghe Haiyan Cheng, một sinh viên cao học, giảng bài.[22] Cheng đứng lớp thay giáo sư trong ngày ấy. Khi nghe tiếng súng từ hành lang, ít nhất có ba người trong phòng đẩy một chiếc bàn chắn cửa lại. Sát thủ cố mở cửa phòng, bắn hai phát súng, một trúng bục giảng, một ra cửa sổ. Sát thủ nạp đạn, rồi bắn vào cửa, Macko thuật lại, có "nhiều, nhiều phát súng."[14]

Bão đông bắc vào lúc đó đã khiến việc sử dụng trực thăng vận chuyển người bị thương là không thể.[23] Các nạn nhân được đưa đến Bệnh viện Khu vực Montgomery ở Blacksburg, Trung tâm Y tế Carilion New River ở Radfford, Bệnh viện Carilion Roanoke Memorial ở Roanoke, và Trung tâm Y tế Lewis-Gale tại Salem.[24]

Những nỗ lực chống cự

Khi đang diễn ra cuộc thảm sát, có vài người vẫn cố giúp đỡ những người khác:

• Giáo sư Liviu Librescu bị bắn khi đang gắng sức giữ chặt cửa lớp học của ông, phòng 204. Ông đã thành công trong nỗ lực ngăn cản sát thủ cho đến khi hầu hết sinh viên trong lớp trốn thoát qua cửa sổ nhưng phải lãnh nhiều phát đạn xuyên qua cửa. Một sinh viên trong lớp cũng thiệt mạng.[25]
• Jocelyne Couture-Nowak cố cứu mạng sinh viên trong lớp Pháp ngữ của cô, phòng 211, sau khi phát hiện Cho đang ở ngoài hành lang.[26] Colin Goddard, một trong bảy người sống sót thuật lại rằng Couture-Nowak ra lệnh sinh viên tập trung vào cuối phòng trong khi cô dùng các chướng ngại vật để chặn cửa. Couture-Nowak đã trả giá cho nỗ lực này bằng sinh mạng của mình.[27]
• Henry Lee, một sinh viên người Mỹ gốc Việt trong lớp Pháp ngữ của Giáo sư Couture-Nowak, bị giết khi đang cùng cô giáo chặn cửa ngăn sát thủ vào lớp.[28]
• Trong phòng 206, dù đã bị thương Waleed Shaalan vẫn cố di chuyển để thu hút sự chú ý của Cho khỏi một sinh viên kế cận khi sát thủ quay lại phòng học này, Shaalan thiệt mạng khi bị bắn lần thứ hai, theo lời kể của một nhân chứng.[29]
• Cũng trong phòng 206, Guillermo Colman thoát chết nhờ một bạn cùng lớp, Partahi Mamora Halomoan Lumbantoruan nằm đè lên trên.[30] Nhiều phát đạn kết thúc mạng sống của Lumbantoruan dù Colman không biết chắc Lumbantoruan làm thế là để cứu mạng Colman hay chỉ ngã đổ vào Colman sau khi bị bắn.[31][32][33][34]
• Sinh viên Zach Petkewicz dùng một chiếc bàn lớn chặn cửa phòng 205 khi giáo sư dạy thế Haiyan Cheng và một bạn gái trong lớp thấy Cho đang đi về phía họ. Cho bắn vài phát súng xuyên cửa nhưng không vào được. Cả lớp học được an toàn.[19][35]
• Khi bị tấn công, Katelyn Carney, Derek O’Dell, Trey Perkins, và Erin Sheehan dùng chướng ngại vật chắn cửa phòng 207 của lớp tiếng Đức để chăm sóc những người bị thương. Vài phút sau, Cho quay lại nhưng O’Dell, Perkins, và Carney tìm cách ngăn hắn lại. O’Dell và Carney bị thương.[36][37][38]
• Khi nghe tiếng huyên náo ở tầng dưới, Giáo sư Kevin Granata, đang ở trên tầng ba tòa nhà Norris, dẫn 20 sinh viên trong phòng học kế bên vào văn phòng, cửa ở đây có trang bị khóa, rồi đi theo cầu thang xuống tầng dưới để thăm dò tình hình nhưng bị bắn, Granata chết do vết thương. Tất cả sinh viên ẩn náu trong văn phòng của Granata đều bình an.[39]

Nạn nhân

Trong hai lần tấn công, Cho sát hại 5 thành viên ban giảng huấn và 27 sinh viên rồi tự kết thúc mạng sống mình.[19] Theo tường trình của ban điều tra Virginia Tech, Cho bắn bị thương 17 người; 6 người khác mang thương tích vì cố trốn thoát bằng cách nhảy qua cửa sổ tầng hai.[2]