הכוחות הישראליים הגיעו בסטי"לים אל מול מספר חופים לבנוניים במקביל, והונחתו על החוף בעשרות סירות גומי, שם המתינו להם סוכני "המוסד" עם מכוניות ששכרו ביום הקודם. הלוחמים היו עטופים ביריעות פלסטיק כדי שלא תתגלה רטיבות על בגדיהם.
יעד אביבה
זה היה היעד המרכזי של הפעולה. במכוניות נהוגות בידי אנשי ה"מוסד" הגיעו ארבעה עשר לוחמים מסיירת מטכ"ל עד לקרבת הבניין, ומשם צעדו לעברו, חלקם מחופשים לנשים, וחבוקים בזרועות לוחמים בלבוש גברי. אהוד ברק הלך מחובק עם מוקי בצר. חוליות החיסול עלו במהירות במדרגות, בשעה ששאר הלוחמים נשארו למטה לאבטח את הכניסה. בין הנשארים היו עמירם לוין ומפקד הפעולה, ברק, וכן דב בר אשר שימש קצין קישור של הקומנדו הימי. בבניין הרגו הלוחמים שלושה מבכירי הארגון:
החוליה בפיקוד מוקי בצר, אשר אליה צורף גם יוני נתניהו, הרגה את יוסוף אל נג'אר ("אבו יוסוף"), מוותיקי ארגון הפת"ח, שהיה בעברו ראש סניפי הפת"ח בלבנון, ראש המודיעין הפנימי של הפת"ח, וקצין המבצעים של ארגון ספטמבר השחור. חודשים ספורים לפני הפעולה מונה לתפקיד ראש המחלקה המדינית של אש"ף, והיה אחד מסגניו של יאסר ערפאת. יחד איתו נהרגה גם אשתו שניסתה להגן עליו.
החוליה בפיקוד צביקה ליבנה הרגה את כמאל נאצר, שהיה משורר פלסטיני ודובר ארגון הפת"ח.
החוליה בפיקוד אמיתי נחמני הרגה את כמאל עדואן, מוותיקי ארגון הפת"ח גם הוא, שהיה אחראי על פעולות טרור בישראל במסגרת "מנגנון הגזרה המערבית"; אחר כך היה קצין המבצעים והמודיעין של ארגון ספטמבר השחור, והיה אחראי על תכנון פעולות נגד יעדים ישראלים בעולם.
בעוד החוליות מבצעות את המוטל עליהן, הבחינו שומרי הראש של בכירי הפת"ח במתרחש, והתפתח קרב יריות בינם לבין כוח האבטחה. חוליות החיסול הרגו בטעות אישה איטלקייה שהתגוררה בבניין. כח האבטחה פגע בשני שוטרים לבנוניים שהפריעו לנסיגה. עם סיום תפקידו של אהוד ברק כמפקד סיירת מטכ"ל, העניק לו הרמטכ"ל אלעזר צל"ש על תקופת פיקודו על היחידה, ובכלל זה גם במבצע "אביב נעורים". לימים התייחס ברק למבצע ואמר:
לא הלכתי לשום מבצע עם מודיעין כל כך טוב, שנותן לך את הפרטים הכי קטנים בצורה כל כך מורחבת.
יעד גילה
יעד זה נחשב למוגן במיוחד, בשל ריבוי הלוחמים שבו. מפקדת הפת"ח מוקמה בתוך מבנה רב-קומות, בו התגוררו פעילים רבים של החזית העממית לשחרור פלסטין. הכוח שפשט על היעד היה בן ארבעה עשר לוחמים מהצנחנים, אשר הובלו גם הם על ידי אנשי ה"מוסד". הכוח נתקל בהתנגדות עוד בראשית הפעולה. שני חיילי הסיירת, אבידע שור וחגי מעיין, פתחו באש והרגו את הזקיפים בחזית הבניין, אולם מיד בעקבות הירי הם הופתעו מאחור על ידי אנשי פת"ח על גבי כלי רכב נושא מקלע, שלא היה ידוע עליו טרם הפעולה. מאש המקלע נהרג אבידע שור, וחגי מעין נפצע פצעי מוות.
הגילוי של הכוח הפך את הביצוע למורכב ומסובך. אך למרות הנחיתות המספרית מול אנשי הפת"ח בבניין, הצליחו ליפקין-שחק וחייליו להטמין את מטעני חומר הנפץ ותוך כדי הנסיגה להשמיד את היעד, תוך שהם מנהלים קרבות פנים אל פנים מטווחים קצרים בחזית הבניין. הבניין קרס וגרם למותם של עשרות אנשי פת"ח. ליפקין-שחק קיבל על פעולתו במבצע את עיטור העוז, בזכות קור הרוח יוצא הדופן שהפגין, והעובדה שהשלים את המשימה המורכבת על אף הקשיים והנפגעים. עיטור העוז הוענק גם לסרן מנחם זטורסקי. עיטור המופת הוענק לסגן אהרון סבג ולסגן רפי איל.
היעדים האחרים
בכל היעדים הנוספים בוצעו המשימות בהתאם לתוכנית וללא תקלות. היעדים פוצצו, ומחלקם נלקחו מסמכים שנמצאו במקום