जिन दस बंदूकधारियों को आतंकवादी समूह लश्कर-ए-तैयबा से जुड़ा माना जाता था, जिनका पाकिस्तान में आधार है, ने हमलों को अंजाम दिया। आतंकवादियों ने छत्रपति शिवाजी रेलवे स्टेशन, प्रसिद्ध लियोपोल्ड कैफे, दो अस्पतालों और एक थिएटर सहित स्वचालित हथियारों और हथगोले का उपयोग करते हुए, मुंबई के दक्षिणी क्षेत्र में कई स्थानों पर नागरिकों पर हमला किया। 26 नवंबर को लगभग 9:30 बजे शुरू होने के तुरंत बाद अधिकांश हमले समाप्त हो गए; हालांकि, आतंक तीन जगहों पर बना रहा जहां बंधकों को रखा गया था: ओबेरॉय ट्राइडेंट और ताज महल पैलेस एंड टॉवर लक्ज़री होटल, नरीमन हाउस, जिसमें एक यहूदी आउटरीच सेंटर था। 28 नवंबर की शाम को जब नरीमन हाउस में गतिरोध समाप्त हुआ, तब तक छह बंधकों और दो बंदूकधारियों की मौत हो चुकी थी। दो होटलों के कई आगंतुकों और कर्मचारियों को या तो बंधक बना लिया गया या गोलियों से फंसा दिया गया।
28 नवंबर को दोपहर के आसपास ओबेरॉय ट्राइडेंट और अगली सुबह ताजमहल पैलेस में, भारतीय सुरक्षा बलों ने घेराबंदी हटा ली। सुरक्षा बलों के 20 सदस्यों और 26 विदेशियों सहित कुल कम से कम 174 लोग मारे गए थे। 300 से अधिक लोगों को चोटें आईं। एक आतंकवादी को हिरासत में लिया गया, दस में से नौ आतंकवादी मारे गए। मुजाहिदीन हैदराबाद डेक्कन होने का दावा करने वाले एक अज्ञात समूह ने एक ईमेल में हमलों की जिम्मेदारी ली, जबकि आतंकवादी कौन थे, इस बारे में अटकलें थीं। हालाँकि, ईमेल को बाद में पाकिस्तान के एक कंप्यूटर से ट्रेस किया गया था, और यह स्पष्ट हो गया कि ऐसा कोई समूह नहीं था।
कुछ लोगों ने अनुमान लगाया कि इस्लामिक उग्रवादी संगठन अल-कायदा हमलों में शामिल हो सकता है क्योंकि आतंकवादियों ने कथित तौर पर लक्जरी होटलों और नरीमन हाउस दोनों में पश्चिमी विदेशियों को निशाना बनाया था, लेकिन यह एकमात्र आतंकवादी अजमल आमिर कसाब की गिरफ्तारी के बाद आया। असत्य प्रतीत हुए, हमलों की योजना और निष्पादन के बारे में विस्तृत जानकारी प्रदान की। पाकिस्तान के पंजाब प्रांत के मूल निवासी कसाब ने जांचकर्ताओं को बताया कि 10 आतंकवादियों ने लश्कर-ए-ट्रेनिंग तैयबा की सुविधाओं में गुरिल्ला युद्ध में व्यापक प्रशिक्षण प्राप्त किया। उन्होंने यह भी खुलासा किया कि आतंकवादी दल ने पंजाब से बंदरगाह शहर कराची जाने और मुंबई के लिए जहाज पर सवार होने से पहले मुरीदके शहर में जमात-उद-दावा मुख्यालय में समय बिताया था।
बंदूकधारियों ने एक भारतीय मछली पकड़ने के जहाज का अपहरण करने और उसके चालक दल को मारने से पहले पाकिस्तान के झंडे को फहराने वाले एक मालवाहक जहाज पर चढ़ा। एक बार जब वे मुंबई के तट के करीब थे, तो उन्होंने बधवार पार्क और ससून डॉक्स जाने के लिए इन्फ्लेटेबल डोंगियों का इस्तेमाल किया, जो शहर के गेटवे ऑफ इंडिया स्मारक के करीब हैं। आतंकवादी तब छोटे समूहों में विभाजित हो गए और अपने व्यक्तिगत लक्ष्यों के लिए रवाना हो गए। बाद में हत्या और युद्ध छेडऩे सहित कई अपराधों के आरोपी कसाब ने अपना प्रवेश वापस ले लिया। अप्रैल 2009 में उसका मुकदमा चल रहा था, लेकिन यह पता चलने के बाद कि कसाब की उम्र 18 वर्ष से अधिक थी और इसलिए किशोर न्यायालय में मुकदमा नहीं चलाया जा सकता था, कई बार देरी हुई।
जुलाई में एक दोषी याचिका दर्ज करने के बावजूद, मुकदमा आगे बढ़ा और दिसंबर में उसने अपनी बेगुनाही का ऐलान किया। कसाब को मई 2010 में दोषी ठहराया गया और मौत की सजा सुनाई गई; दो साल बाद उन्हें मौत के घाट उतार दिया गया। सैयद ज़बीउद्दीन अंसारी को दिल्ली पुलिस ने जून 2012 में उन व्यक्तियों में से एक होने के संदेह में हिरासत में लिया था, जिन्होंने हमलों के दौरान आतंकवादियों को प्रशिक्षित करने और उनका नेतृत्व करने में मदद की थी। डेविड सी. हेडली नाम के एक पाकिस्तानी अमेरिकी ने भी 2011 में हमलों की योजना बनाने में आतंकवादियों की सहायता करने के लिए दोषी ठहराया और जनवरी 2013 में एक अमेरिकी संघीय अदालत ने उसे 35 साल की जेल की सजा सुनाई।
मुंबई पुलिस के बॉम्ब डिटेक्शन एंड डिस्पोजल स्क्वॉड के चार स्निफर डॉग सुल्तान, टाइगर, मैक्स और सीजर ने अपनी पैनी नाक से आरडीएक्स, आईईडी और अन्य विस्फोटकों का पता लगाकर अनगिनत लोगों की जान बचाई।