Vụ cháy bắt đầu vào khoảng 23:00 ngày 12 tháng 9, đường dây dẫn vào ắc quy của một xe máy tay ga (sử dụng xăng) bị chập mạch, từ chiếc xe ga được đặt giáp tường phía Nam tầng 1, lửa lan vào khu vực cáp điện và các hộp công tơ điện lắp trên tường tầng một, cùng với nhiều xe máy, xe điện trong tầng giữ xe của chung cư.[5] Lửa bắt đầu bùng lên và lan sang nhiều phương tiện khác từ tầng một của tòa nhà, tràn ra ngoài ô thoáng. Ngôi nhà cháy rộng gần 200 m², được xây kiểu ống với một mặt tiền là lối thoát hiểm, ba mặt khác giáp với nhà dân, được chia làm 45 phòng trọ và đa số các phòng đều có người ở. Mười phút sau vụ hỏa hoạn, khoảng 15 xe cứu hỏa cùng 100 cảnh sát phòng cháy chữa cháy đã tới hiện trường. Do nhà nằm sâu trong ngõ nên xe cứu hỏa phải đỗ ngoài phố Khương Hạ, dẫn vòi rồng vào trong.[6][7]

Vụ cháy được kiểm soát lúc 1:00 ngày 13 tháng 9 nhưng bên trong vẫn còn rất nhiều khói, gần 50 lượt xe cứu hỏa liên tục tiếp nước, phun vòi rồng vào nhiều phía của ngôi nhà. Một tốp cảnh sát khác dùng thang dây, tiếp cận qua các ô thoáng để vào các phòng soi đèn tìm kiếm nạn nhân.[6] Các nạn nhân sau đó đã được đưa đến nhiều bệnh viện lớn của Hà Nội, bao gồm có Bệnh viện Bạch Mai, Bệnh viện Đống Đa, Bệnh viện Đa khoa Hà Đông, Bệnh viện Y Hà Nội và Bệnh viện Bưu điện. Các nạn nhân thiệt mạng phần lớn đều bị ngạt thở hoặc bị thương do nhảy khỏi tòa nhà từ các tầng cao.[8][9]