בשעות הבוקר המוקדמות הגיעה ידיעת הזהב של השב"כ על מקום מסתור בדירה בלב הקסבה של שכם, ובה שלושה פעילי "גוב אריות", ביניהם אחד מרוצחי הלוחם עידו ברוך. זאת, לאחר שבשבוע שעבר נעצרו שניים מהמעורבים בפיגוע. מדובר היה במאמץ מתמשך ומצוד נרחב שרוכז על ידי חפ"ק מודיעיני של השב"כ מאז הפיגוע, במסגרתו נאספו עשרות ידיעות שבנו את הפאזל, שהושלם הבוקר (רביעי) ובבניית התמונה המלאה.
על פי המידע שהתקבל, המחבלים בחרו בקפידה דירה שהגישה אליה תהיה מאוד מורכבת עבור הלוחמים. השב"כ הקפיץ את לוחמי הימ"מ והיחידה המבצעית של השירות למשימה והחלה התארגנת מהירה לכיתור המבנה לאור יום בזמן שהשווקים בשכם הומי אדם והצירים עמוסים. כוחות סיירת גולני היו על גגות הבתים ובדרכים, כדי למנוע ממפרי סדר וחמושים להגיע למקום המסתור בזמן הפעילות.
אחרי השלמת ההכנות לכניסה, ניסה אחד מהמחבלים החמושים להימלט מהדירה ונפגע על ידי הכוחות הראשונים שהגיעו לזירה. לאחר מכן, שאר החמושים פתחו באש מאסיבית וסרבו להסגיר את עצמם. אחד מהם אף הספיק להעלות פוסט לפייסבוק, וקרא למחבלים נוספים להגיע למקום כדי לסייע בלחימה נגד כוחות הביטחון. "הלוחמים נלחמו בטווח של מטרים בודדים מהמחבלים בדירה ואלו שניסו להגיע אליה", אמר גורם ביטחוני. "זה היה ממש שדה קרב, היקף גדול של ירי. מה שחשוב הוא שסגרנו על המחבלים - אין ערי מקלט ביהודה ושומרון".
במשך שעות ניהלו לוחמי הימ"מ והשב"כ לחימה עיקשת מול הירי באזור ושיגרו טילים לעבר המבנה עד שהוא קרס. תוך כדי הפעילות ניסו חמושים להתגנב אל מיקום הלוחמים הראשונים, אך הם נורו על ידי צלפים. לבסוף, התקדמו לוחמי הימ"מ לדירה שקרסה ובדקו מקרוב אם מתחת להריסות נמצאים המחבלים המבוקשים. רק לאחר שנסגר המעגל ונבדק מודיעינית כי אכן מדובר בשלושת היעדים, שבשבילם נכנסו החל מבצע החילוץ בפיקודו של מח"ט שומרון אל"מ שמעון סיסו.
גורם צבאי בכיר אמר כי במהלך הפעולה ניסו חוליות חמושות רכובות על גבי אופנועים וכלי רכב לירות בכוחות הביטחון, ולכן מספר הנפגעים בצד הפלסטיני הוא גדול - 10 הרוגים, בהם קשיש בן 72, ויותר מ-40 פצועים. בבדיקה שבוצעה בשטח עלה כי אחד המחבלים שחוסלו הוא ווליד דחיל, מחבל שהיה חלק מהסכם המבוקשים, הפר אותו וחזר לפעילות טרור. לפני האירוע הבוקר, כוחות הביטחון קראו למנגנוני הביטחון הפלסטיניים לטפל בו ולרסן אותו, אך לא היה מענה.