2 kẻ bịt mặt và mặc đồ đen[15] đột nhập vào trụ sở tờ Charlie Hebdo khoảng lúc 11h30' với 2 khẩu AK-47. Trước đó, họ tới nhầm địa chỉ ở số 6 (theo lưu trữ cũ về Charlie Hebdo) rồi chuyển tới địa chỉ ở số 10 phố Nicolas-Appert[16] (tờ báo đã bí mật đổi địa chỉ hơn 1 năm trước)[17]. Theo các nhân chứng, họ uy hiếp họa sĩ Coco (Corinne Rey) buộc bà phải mở cửa. Sau đó, họ bắn 2 người thợ bảo dưỡng ở lối vào khiến 1 người thiệt mạng, còn người khác bị thương nặng[18], tiếp đó ập vào phòng biên tập nhằm hạ sát toàn bộ thành viên đang họp định kỳ hàng tuần ở tầng 3[19]. Họ lập tức bắn chết Charb – mục tiêu hàng đầu – trước khi xả súng vào toàn bộ 10 người còn lại, bao gồm 8 thành viên ban biên tập, 1 khách mời và 1 cảnh sát đặc biệt để bảo vệ Charb[20]. Họ tiếp tục nã súng trên đường rút lui và hô vang "Allahu akbar" ("Thánh Allah vĩ đại")[21].

Theo công tố viên quốc gia François Molins, họ sau đó chạy trốn cùng chiếc Citroën C3 II đỗ ngoài cửa tòa nhà[22], trong khi đồng phạm thứ 3 chạy trốn hướng khác với chiếc xe máy TMax. Họ đi qua một con phố cắt ngang và gặp một xe cảnh sát, họ xả súng song không ai bị thương. Tiếp đó, họ gặp chiếc xe tuần khác của cảnh sát, tiếp tục đấu súng nhưng cũng không ai bị thương. Cuối cùng họ gặp chiếc xe cảnh sát thứ 3 ở địa chỉ số 52 đại lộ Richard-Lenoir[23]. Họ ra khỏi xe, nổ súng khiến viên cảnh sát bị thương ở bụng. Một tên tiến lại phía người cảnh sát vốn đã ngã gục và đầu hàng, nã một viên đạn vào đầu anh trước khi 2 tên còn lại quay lại xe và hét lớn "On a vengé le prophète Mohamed" ("Chúng ta đã trả thù cho tiên tri Mohamed") và "On a tué Charlie Hebdo" ("Chúng ta đã giết chết Charlie Hebdo")[24]. Bị truy lùng, họ liền đổi lấy một chiếc Volkswagen Touran (làm thương nặng nữ tài xế) ở quảng trường Colonel-Fabien[25], sau đó bỏ chiếc xe lại ở địa chỉ 45 phố de Meaux trước cửa một hàng bánh mỳ, tấn công một người khác để cướp chiếc Renault Clio lái về Porte de Pantin[26]. Cảnh sát mất dấu họ từ đây[27].

Báo cáo cho thấy có tổng cộng 12 người thiệt mạng, trong đó có 2 cảnh sát, ngoài ra là 11 người khác bị thương[28]. Một cuộc lùng kiếm rộng rãi đã được thực hiện, sau khi một trong 3 kẻ tình nghi đã để rơi chứng minh thư trong một chiếc xe bị bỏ lại[29][30].

Hệ thống cảnh báo nguy hiểm Vigipirate của Pháp lập tức được đặt ở mức cao nhất "cảnh báo tấn công" trong vùng Île-de-France. Công tố viên quốc gia François Molins lập tức tuyên bố áp dụng hệ thống chống khủng bố sau khi nhận được bản báo cáo công bố những mối liên quan giữa những kẻ sát nhân với các tổ chức khủng bố, mặt khác cũng đề nghị chương trình bảo vệ nhân chứng.