ביום ראשון, 10 בנובמבר2002, מעט אחרי השעה 23:30, חדר מחבל שהגיע משטחי הרשות הפלסטינית לתוך הקיבוץ הנמצא על קו התפר סמוך לוואדי עארה. לאחר שעבר את הגדר ההיקפית של הקיבוץ ללא קושי, חיפש המחבל קורבנות אפשריים. המחבל, חמוש ברובה סער מסוג M16, ירה בתחילה לעבר מטרה לא ברורה סמוך לבתי הילדים של הקיבוץ, שהיו ריקים בשעת לילה. בהמשך נתקל בזוג, חבר הקיבוץ ובת זוגו תרצה דמארי, שטיילו בשבילי הקיבוץ. המחבל ירה לעבר הזוג ופגע באישה שמתה במקום. בן זוגה הצליח להימלט.
המחבל המשיך את מסע הרצח ופרץ לבית משפחת אוחיון, שבו התגוררו אם ושני ילדיה. לאחר שלא הצליח להיכנס דרך הדלת, נכנס המחבל דרך החלון. הוא ירה מטווח קצר באם רויטל אוחיון ובשני ילדיה - נועם בן ה-4 ומתן בן ה-5 - והרג אותם.
לאחר שיצא מן הבית הלך המחבל לעבר חדר האוכל על מנת לחמוק מן הקיבוץ. במהלך הימלטות המחבל הוא נתקל במזכיר הקיבוץ יצחק דורי, שהיה באותו יום בתורנות שמירה. המחבל ירה לעבר דורי שהיה במכוניתו והרג אותו. לאחר מכן יצא המחבל מהקיבוץ דרך מקום חדירתו, וברח דרך מטע בננות לעבר שטחי הרשות הפלסטינית. בזמן הסריקות אחר היורים נדרשו התושבים להסתגר בבתים בחשיכה מוחלטת.
בחודש אוקטובר 2003, כשנה לאחר הפיגוע, ביצעו כוחות צה"ל, השב"כ והימ"מ פעילות משותפת בטולכרם, שבמהלכה חיסלו כוחות הימ"מ את המחבל סירחאן סירחאן, החבר בגדודי חללי אל אקצא של הפת"ח שביצע את הפיגוע[2]. כחודש לאחר מכן נלכד ראש הזרוע הצבאית של הפת"ח באזור טולכרם, שהיה אחראי לשילוח המחבל, ונידון ל-13 מאסרי עולם[3].
באוגוסט 2004 הורשע ערבי ישראלי תושב הכפר אום אל קוטוף בסיוע למחבל. מספר שעות לאחר הפיגוע הגיע המחבל אל תושב הכפר וביקש ממנו לסייע לו. האזרח החביא עבור המחבל את כלי הנשק שלו, ונתן לו את הטלפון הסלולרי שלו, כאשר הוא הבין כי מדובר במחבל מבצע הפיגוע[4]. הוא נידון ל-4.5 שנות מאסר[5].