13 maja 1981 roku, w uroczystość Matki Bożej Fatimskiej przed godz. 17 papież wjechał otwartym samochodem terenowym na plac przed bazyliką watykańską na tradycyjną środową audiencję generalną. W aucie razem ze stojącym Janem Pawłem II byli jego sekretarz ks. Stanisław Dziwisz, osobisty kamerdyner Angelo Gugel i przyszły dowódca Gwardii Szwajcarskiej Alois Estermann, który został zamordowany 17 lat później.
Papież pozdrawiał tłum wiernych podczas tradycyjnego objazdu placu. Na wysokości Spiżowej Bramy schylił się, by objąć półtoraroczną dziewczynkę. Kilka metrów obok stał ubrany w szarą marynarkę 23-letni Agca; ten sam, który w czasie wizyty papieża w Turcji w listopadzie 1979 roku groził, że go zabije.
O godzinie 17:17 Agca wyjął zza paska spodni pistolet Browning kaliber 9 i z bliskiej odległości oddał strzały do Jana Pawła II ciężko go raniąc. Zamachowiec zaczął uciekać, ale za rękę złapała go włoska zakonnica. Uzbrojony Agca wyrwał się i znów podjął ucieczkę, wyrzucając po drodze pistolet; po kilku minutach został zatrzymany przez policjantów. Krzyczał wówczas po angielsku „I only, I only” (tylko ja, tylko ja), co interpretowano potem jako zapewnienie, że działał sam. Wszystko wskazuje na to, że zamachowiec jednak miał na placu wspólników.
Na pięć dni przed swymi 61. urodzinami Jan Paweł II został ranny w brzuch, prawy łokieć i palec. Rany odniosły także dwie stojące w pobliżu Amerykanki. Na placu wybuchła panika; ludzie uciekali, krzyczeli, płakali, ale i modlili się klęcząc.
Ciężko rannego papieża zawieziono najpierw na teren Watykanu, pod budynek tamtejszej przychodni. Tam położono go na noszach na ulicy. Osobisty papieski lekarz doktor Renato Buzzonetti stwierdził jednak, że jego stan z powodu dużej utraty krwi jest bardzo ciężki. Dlatego zapadła decyzja o natychmiastowym przewiezieniu do kliniki Gemelli, położonej dość daleko od Watykanu.
Już w niedzielę 17 maja papież bardzo osłabionym głosem zwrócił się ze szpitalnego łóżka do wiernych za pośrednictwem Radia Watykańskiego.
Papież wierzył, że jego ocalenie miało charakter cudowny. Wyraził to słowami „Jedna ręka strzelała, a inna kierowała kulę”.- Modlę się za brata, który mnie zranił, a któremu szczerze przebaczyłem. Zjednoczony z Chrystusem, Kapłanem i Ofiarą, składam moje cierpienie w ofierze za Kościół i świat. - powiedział Jan Paweł II
W ocenie historyków inspiratorami zamachu mogły być sowieckie służby specjalne. Ali Agcę schwytano natychmiast po zamachu. W lipcu 1981 r. zaczął się proces. Skazano go na dożywotnie więzienie. W 1983 r. Jan Paweł II odwiedził go w rzymskim więzieniu. W czerwcu 2000 r. prezydent Włoch Carlo Azeglio Ciampi ułaskawił zamachowca.
W wydanej wspólnie przez IPN i „Gościa Niedzielnego” książce pt. „Papież musiał zginąć. Wyjaśnienia Ali Agcy” znalazło się wiele materiałów z prowadzonego ws. Zamachu na papieża śledztwa. Zebrane w toku postępowania dowody wskazują, że z zamachowcem współdziałali wspólnicy z tureckiego świata przestępczego i kontrolujący ich funkcjonariusze służb specjalnych Bułgarii. Istnieje też podejrzenie, że funkcjonariusze tych służb groźbą usiłowali później wpłynąć na treść zeznań zamachowca. W ocenie wielu historyków w przygotowaniu zamachu na papieża brali udział funkcjonariusze służb specjalnych państw komunistycznych