Тем временем Ильин, стоя в легком плаще на морозе, терпеливо ожидал приближения правительственного кортежа. Стянув перчатки и сунув руки в карманы, он снял с предохранителя оба пистолета. И вот наконец у поворота на мост Боровицкой башни показались черные «чайки» в сопровождении мотоциклистов. Пропустив первую машину. Ильин выскочил навстречу второй и, выхватив из карманов оба пистолета, открыл шквальный огонь по автомобилю. Он стрелял по лобовому стеклу и видел, как уткнулся в баранку смертельно раненный им водитель (это был И. Жарков), как сидевшие в машине люди бросились под сиденье. Ильин стрелял до тех пор, пока не израсходовал почти весь боезапас в обоих пистолетах. Одна из пуль, отрекошетив, разорвала плечо сопровождающего кортеж мотоциклиста. Но тот, несмотря на ранение, направил мотоцикл прямо на террориста и сбил его с ног. После этого на Ильина навалились люди в штатском и милиционеры. Он не сопротивлялся.
Покушение на Л. Брежнева, задуманное Виктором Ильиным, не удалось. В машине, по которой он открыл столь яростный огонь, вместо Генсека сидели космонавты Г. Береговой, А. Николаев и В. Терешкова. У первого осколками стекла было изранено лицо, второму пуля по касательной задела спину. Водитель Илья Жарков, получив смертельное ранение, умер через сутки в больнице. Посмертно его наградили орденом Красного Знамени. Его жена, выступая в телевизионной передаче «Совершенно секретно» 5 ноября 1994 года, заявила: «Моего мужа подставили».
Между тем 22 января 1969 года Центральное телевидение вело прямую трансляцию торжественной встречи космонавтов. Когда же Ильин открыл огонь по машине, трансляция была прервана. Возобновилась она только через час и показывала уже церемонию награждения. Говорят, что она производила странное впечатление. Звезды Героев космонавтам вручал почему-то не Л. Брежнев, а Н. Подгорный. Чувствовалась растерянность как среди награждаемых, так и среди награждающих. Бледные лица, дерганые фразы, нервные движения.
А где же был тогда Л. Брежнев? Его адъютант Г. Петров позднее рассказывал: «В аэропорту мы перестроились и поехали третьими, уступив второе место в колонне героям дня — космонавтам. Я сидел рядом с водителем. В машине находились Брежнев, Подгорный и Косыгин. Когда наша машина подъехала к Боровицким воротам, услышал выстрелы в Кремле, на участке между Оружейной палатой и Большим Кремлевским дворцом. Сразу дал команду водителю остановиться. Когда выстрелы прекратились, мы обогнули стоящую машину с космонавтами и направились к Дворцу съездов. Все это произошло за какие-то минуты. Преступник действительно стрелял по второй машине, будучи уверенным, что в ней находится Брежнев. Машины въезжали в Кремль колонной, одна за другой, и нам повернуть обратно, чтобы проехать через Спасские ворота, было невозможно. Да в этом и не было никакой необходимости, поскольку стрелявший был уже задержан сотрудниками КГБ».
Как бы споря с этими словами Г. Петрова, некоторые исследователи утверждают, что машина JT. Брежнева не проезжала через Боровицкие ворота, а изменила маршрут и въехала в Кремль через Спасские ворота.
Тем временем арестованного В. Ильина поместили в следственный изолятор КГБ «Лефортово». Начались изнурительные допросы. Оказывается, после устранения Генерального секретаря ЦК КПСС Ильин собирался создать новую партию — некоммунистическую. А следователи-то думали, что за террористом стоят или западные спецслужбы, или кто-то из «своих», недовольных личностью Брежнева. Однако постепенно выяснилось, что заговора никакого не было и что Виктор Ильин был классическим убийцей-одиночкой. Но даже это заключение не спасло многих офицеров Ленинградского военного округа и войсковой части из Ломоносова от расправы. Двух младших лейтенантов, с которыми В. Ильин вел наиболее откровенные разговоры, посадили на пять лет за недоносительство.