恐怖分子雖殺害了2名運動員，但是在德國當局同恐怖分子談判期間，皮艇和拳擊兩項比賽仍照常進行著。
固守在31號樓的恐怖分子時常出現在窗邊，似乎保持著高度的警惕。
麵對不知何時才能結束的這次恐怖事件，國際奧林匹克委員會召開會議商討是否繼續進行比賽。布朗迪基主席主張繼續比賽，委員會通過投票，決定正在進行中的比賽繼續進行，其他比賽項目，視情況再另行開始。這個附帶條件等於暫停了比賽。
事件發生12個小時之後的下午5點，蘇聯同波蘭的排球賽開始在離屠殺現場不到100米的體育館舉行。
另一方麵，在同一時刻，身著防彈背心的10名警備隊員，穿上西德軍服悄悄地潛入到31號樓的地下室內，等待著突擊的命令。
以色列政府強烈要求德國當局首先要營救出9名人質，但是，德國認為這等於向恐怖分子屈服而予以回絕。在以色列不答應釋放巴勒斯坦遊擊隊員的情況下，德國很難有一個好的解決方法。
以色列和德國經過艱難的談判，最後終於選定三種方案。第一個方案是使用強硬的奇襲手段。即在與恐怖分子談判的同時，警察突然發起攻擊，衝進樓房。或者讓警察從屋頂上突然衝進去，因為恐怖分子手握手榴彈，人質像佛珠似的串在一起，這一方案是十分危險的。
第二個方案是，向恐怖分子提供一架直升飛機，放他們與人質一起逃走，在他們離開31號樓向停在廣場上的直升飛機走去的時候，狙擊手同時向恐怖分子開火。但是這一方案有個漏洞：如果恐怖分子要求乘坐大客車，狙擊手恐怕很難射中目標。因此這一方案也被淘汰。
最後一個方案是，用直升飛機把恐怖分子和人質送往機場，向他們提供一架開往開羅的客機，在恐怖分子和人質從直升機向客機走去時，狙擊恐怖分子。結果決定采用最後一個方案。
同恐怖分子的談判花費了相當長的一段時間，直到晚上8點30分談判才告結束。恐怖分子同意乘飛機離開慕尼黑。晚上10點鍾，9名人質蒙著眼睛，被塞進拉著遮布的橄欖色的大客車，同恐怖分子一起，通過地下通道，向停在中央廣場的3架直升飛機開去。
但是別有所圖的西德當局並不準備將他們送往慕尼黑機場，而是郊外約25公裏處的一個空軍基地。那裏有漢莎航空公司的一架波音727客機在等待著他們。
西德當局最後決定用上述的第三個方案在機場幹掉恐怖分子。當局希望神經高度緊張的恐怖分子犯下一個哪怕是小小的錯誤。但是頭戴白色呢帽、鼻梁上架著大墨鏡的運動員型的阿拉伯頭目卻鎮定自若、精明強幹。他謹慎地檢查了直升機後，讓4名人質乘第一架飛機，讓5名人質乘第二架飛機，包括一名蒙麵人在內，恐怖分子分乘兩架飛機，第三架飛機由西德領導人、國境警備隊員和警察乘坐。
但是這時，卻讓西德當局大吃一驚，對方恐怖分子竟有8人。在此之前，他們認為恐怖分子的人數最多不超過5名。因此，他們在空軍基地隻布置了5名狙擊隊員。這不僅要求射擊準確，而且在恐怖分子沒有動手殺害人質之前，必須幹掉8名恐怖分子。因此，需要非凡的射擊技術和運氣。
當直升飛機發出轟鳴聲，飛越閃著恐怖燈光的空空如也的體育場時，傳來了附近運動員的歡呼聲。
但是，運動員們誰也沒有料到，這是邁向地獄的第一步。
晚11點，有報道說雙方在機場交上火。接下來，又傳來捷報說8名恐怖分子全部被擊斃。幕尼黑人民致歡呼。
耶路撒冷也聽到了廣播員的“事件圓滿解決、人質安然無恙”的聲音。梅厄總理轉著圈為聚集在一起的內閣成員斟著白蘭地酒，並按猶太的傳統幹了杯，祝賀人質的平安無事。
這一消息也向全世界作了報道。
但是，真實情況並非如此。
晚10點30分，人質、恐怖分子和有關人員乘坐的3架直升機抵達空軍基地。直升機著陸後又升空，在偵察了附近的情況後，才再次著陸，停在了距指揮塔35米處。此時，5名狙擊隊員在指揮塔嚴陣以待，並決定在直升機和波音727客機之間的150米區域內，狙擊恐怖分子。射擊所需要的亮度是沒有任何問題的，上級指示說，在所有的恐怖分子進入狙擊圈內，並有射擊命令時，即可開始射擊。
晚10點35分，隻有4名恐怖分子在地麵上的時候，狙擊隊員開了火。此時，2名恐怖分子剛剛檢查完波音727客機，正在返回途中，另外2名恐怖分子以飛行員作掩護，正向波音727客機走去。恐怖分子2名被擊斃，1名負傷。
與此同時，恐怖分子也向人質開槍進行威脅，並向指揮塔射擊。之後，安靜了一會兒。大約1小時以後，又響起了槍聲。似乎是恐怖分子爆炸了直升飛機，直升機燃起了熊熊大火。
0點45分，警備隊員順利登機，5名恐怖分子被擊斃。莫哈默德·阿布塔拉、伊布拉希姆·巴德蘭和埃爾·德納維三人成了俘虜。
驗屍結果表明，全部死亡的人質中，5人中彈，4人被活活燒死。
9月6日淩晨3點，巴伐利亞州的內務部長用沉痛的聲音發表了令人可怕的消息：營救作戰失敗，5名恐怖分子被打死，3名被俘，1名飛行員、1名警備隊員、9名人質全部死亡。這一悲劇，3個小時以後傳遍了世界各地。
此次恐怖突襲事件帶給人心靈上的創傷是巨大的，很多親眼目睹這恐怖事實的運動員無精打采、無心戀戰。整個奧運村飄蕩著沉悶壓抑的空氣。在籌備奧運會中作了長期不懈努力的組織委員長維利·達梅說：“坦率地說，我不讚成繼續比賽。”以色列體育代表團說：“從哀悼死者和否定暴力意義上講，應該中止比賽。從人道角度說也絕對不能再賽下去。”
但是，也有相當一部分反對者，他們認為“如果中止比賽，正好是達到了恐怖分子的目的，陷入了他們的圈套”。可是，就連主張繼續比賽的人們也對繼續比賽的時間持慎重態度。
恐怖行動後的6日早晨，國際奧林匹克委員會召開理事會議。會上議論紛紛，最後接受了布朗迪基主席的意見，決定比賽繼續舉行。