คืนวันที่ 5 ตุลาคมต่อเนื่องถึงเช้าวันที่ 6 ตุลาคม กำลังฝ่ายต่อต้านนักศึกษาเคลื่อนขบวนไปยังบริเวณท้องสนามหลวงช่วงหน้ามหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ และเริ่มมีการปะทะกันด้วยอาวุธปืนเบา ขณะที่นายกรัฐมนตรีกำลังประชุมกับเจ้าหน้าที่ผู้รับผิดชอบ โดยพลตำรวจเอก ศรีสุข มหินทรเทพ อธิบดีกรมตำรวจ พล.ต.ท. มนต์ชัย พันธุ์คงชื่น รองอธิบดีกรมตำรวจ พล.ต.ท.ณรงค์ มหานนท์ ผู้ช่วยอธิบดีกรมตำรวจ พล.ต.ท.สุรพล จุลละพราหมณ์ รองอธิบดีกรมตำรวจ พล.ต.ท.ชุมพล โลหะชาละ รองอธิบดีกรมตำรวจ และ พล.ต.ท.กิตติ เสรีบุตร อดีตผู้บัญชาการผู้บัญชาการตำรวจสอบสวนกลาง[39] จัดประชุมในเวลา 24.00 น.[40]

แต่การสรุปเหตุการณ์ของฝ่ายตำรวจมีความสับสน ทั้งยังมีการส่งตำรวจบางนายเข้าปะปนกับกลุ่มนักศึกษาด้วย โดยหม่อมราชวงศ์เสนีย์พยายามโทรศัพท์ติดต่อกับผู้บริหารระดับสูงของมหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ ได้แก่ ป๋วย อึ๊งภากรณ์ อธิการบดี และนงเยาว์ ชัยเสรี รองอธิการบดี รวมถึงรัฐมนตรีว่าการทบวงมหาวิทยาลัยของรัฐ นิพนธ์ ศศิธร แต่ไม่สามารถติดต่อได้[36]

ในการประชุมคณะรัฐมนตรีซึ่งจัดขึ้นเมื่อเช้าวันนั้น พลตรี ประมาณ อดิเรกสาร หัวหน้าพรรคชาติไทยและรองนายกรัฐมนตรี แถลงว่า ถึงเวลาแล้วที่จะขจัดขบวนการนักศึกษาเป็นครั้งสุดท้าย[16] เมื่อเวลาประมาณ 5 นาฬิกา มีการยิงลูกระเบิดเอ็ม 79 ลงกลางสนามฟุตบอลมหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ ทำให้มีผู้เสียชีวิตและบาดเจ็บ[41] ตำรวจตระเวนชายแดนปิดทางออกทั้งหมดเมื่อเวลาประมาณ 7 นาฬิกา รถบรรทุกของพุ่งเข้าชนประตูใหญ่และตำรวจเร่งรุดเข้าไปในมหาวิทยาลัยเมื่อเวลาประมาณ 11 นาฬิกา นักศึกษาหลายคนที่ติดอาวุธเปิดฉากยิง แต่พ่ายไปในเวลาอันสั้น แม้ว่านักศึกษาจะร้องขอให้หยุดยิง แต่ พลตำรวจเอก ชุมพล ผู้บัญชาการตำรวจ อนุญาตให้ยิงเสรีในมหาวิทยาลัย[42]

นักศึกษาและประชาชนผู้ร่วมชุมนุมทั้งชายหญิงราว 1,000 คน ถูกบังคับให้ถอดเสื้อนอนลงกับพื้น (แม้ผู้หญิงยังได้รับอนุญาตให้สวมยกทรง) บังคับให้คลานไปตามพื้นสนามหญ้า ทั้งถูกเตะต่อยและรุมทำร้าย[33] หลายคนถูกทุบตีจนเสียชีวิต มีการแขวนศพผู้ที่เสียชีวิตแล้วไว้กับต้นไม้ริมสนามหลวงแล้วเตะต่อย ทั้งถุยน้ำลายรดและตะโกนด่าสาปแช่ง มีการนำศพทั้งผู้ที่เสียชีวิตแล้วและบาดเจ็บสาหัสมาเผาสด ๆ ด้วยยางรถยนต์บริเวณหน้าอุทกทาน[36][33] มีการตบตีและปล้นทรัพย์สินส่วนตัว จากนั้นตำรวจยิงปืนกลข้ามหัวนักศึกษาเข้าไปในตึกคณะบัญชี เย็นนั้น กลุ่มนวพลบางคนอวดเพื่อนว่า ตน "ล้วงผู้หญิงตามสบาย"[43] ผู้พยายามกระโดดหนีลงแม่น้ำเจ้าพระยาถูกยิงจากเรือของกองทัพเรือ[42] นอกจากนี้ยังมีการเผาทั้งเป็น ตอกไม้ทิ่มศพ ใช้ไม้ทำอนาจารกับศพผู้หญิง หรือปัสสาวะบนศพ[44] มีนักศึกษาแพทย์และพยาบาลที่เป็นสมาชิกหน่วยอาสาสมัคร "พยาบาลเพื่อมวลชน" ถูกฆ่าตาย 5 คน[43] วิมลวรรณ รุ่งทองใบสุรีย์ นักศึกษาพยาบาลศาสตร์ ถูกยิงขณะพยายามว่ายน้ำเข้าสู่ที่ปลอดภัย[16] การสังหารหมู่ดำเนินไปถึงเที่ยง เมื่อพายุฝนขัดจังหวะ[1] นิตยสารไทม์ อธิบายเหตุการณ์ดังกล่าวว่าเป็น "ฝันร้ายของการลงประชาทัณฑ์และการเผา"[33] ใจ อึ๊งภากรณ์เขียนว่า มันเป็น "ความทารุณของอนารยธรรมอย่างยิ่งต่อนักเคลื่อนไหวกรรมกร นักศึกษาและชาวนา"[16] สรรพสิริ วิรยศิริ ผู้อำนวยการสถานีโทรทัศน์ช่อง 9 ไปถ่ายภาพเพื่อ "เอาความจริงมาเปิดเผยให้คนรับรู้ นี่เป็นหน้าที่ของผม" ต่อมา คณะปฏิรูปการปกครองแผ่นดินสั่งปลดเขาจากตำแหน่ง[45]

มีการกล่าวหาว่าตำรวจและขบวนการกระทิงแดงข่มขืนกระทำชำเรานักศึกษาหญิงทั้งที่ยังมีชีวิตอยู่และเสียชีวิต ตัวเลขอย่างเป็นทางการบ่งว่า มีผู้เสียชีวิต 46 คน และบาดเจ็บ 167 คน[1] ป๋วย อึ๊งภากรณ์ อธิการบดีมหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ขณะนั้น ให้ตัวเลขประมาณผู้เสียชีวิตอย่างไม่เป็นทางการกว่า 100 คน โดยอิงแหล่งข้อมูลนิรนามในสมาคมจงหัวแห่งประเทศไทย (Chinese Benevolent Association) ซึ่งกำจัดศพ[46]

ช่วงเช้าวันเดียวกัน คณะรัฐมนตรีนัดประชุมเป็นการด่วนเพื่อประเมินสถานการณ์ โดยตามรายงานของ พลตำรวจเอก ชุมพล โลหะชาละ ระบุว่า ตำรวจซึ่งเข้าไปในมหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ถูกนักศึกษาทำร้ายจนถึงแก่ชีวิต แต่รายงานของพลตำรวจเอก ศรีสุข มหินทรเทพ อธิบดีกรมตำรวจ กลับระบุว่า ขณะนี้เจ้าหน้าที่ตำรวจควบคุมสถานการณ์ไว้เรียบร้อยแล้ว จึงเกิดความสับสนว่าควรประกาศสถานการณ์ฉุกเฉินหรือไม่ ทว่าสุดท้ายก็มิได้ประกาศสถานการณ์ฉุกเฉิน ขณะเดียวกัน ฝ่ายพลเรือเอก สงัด ชลออยู่ ผู้บัญชาการทหารสูงสุด ก็นัดประชุมคณะนายทหารระดับสูงที่กองบัญชาการทหารสูงสุด สนามเสือป่า โดยพลเรือเอกสงัดติดต่อไปยังนายทหารประจำตัวของหม่อมราชวงศ์เสนีย์เพื่อเชิญเข้าร่วมประชุมด้วย แต่ทางหม่อมราชวงศ์เสนีย์ยังไม่อาจเดินทางไปได้ เนื่องจากยังต้องกำกับดูแลสถานการณ์อยู่ที่ทำเนียบรัฐบาล[36]

เวลาประมาณ 16.00 น. มีกลุ่มประชาชนเดินทางไปยังที่ทำการพรรคประชาธิปัตย์ ถนนพระอาทิตย์ เรียกร้องให้ปลดสมาชิกระดับสูง 3 คน ซึ่งเป็นรัฐมนตรีร่วมรัฐบาล ได้แก่ สุรินทร์ มาศดิตถ์ ดำรง ลัทธพิพัฒน์ และชวน หลีกภัย โดยนำเชือกไปด้วยเพื่อเตรียมแขวนคอบุคคลทั้งสาม เพราะเชื่อว่าฝักใฝ่คอมมิวนิสต์ ต่อมาประชาชนกลุ่มนี้ รวมถึงกลุ่มลูกเสือชาวบ้านและกลุ่มแม่บ้าน ก็เดินทางไปยังทำเนียบรัฐบาล แล้วปราศรัยโจมตีกลุ่มนักศึกษา และต่อมาก็พังประตูรั้วทำเนียบรัฐบาลด้วยรถบรรทุก 6 ล้อเข้าไปยังหน้าตึกบัญชาการ เรียกร้องให้นายกรัฐมนตรีลงมาพบ เมื่อหม่อมราชวงศ์เสนีย์ลงมาพบแล้ว ผู้ชุมนุมมีคำถามว่า รัฐบาลจะปลดบุคคลทั้งสามหรือไม่ หม่อมราชวงศ์เสนีย์ตอบว่า บุคคลทั้งสามใกล้ชิดกับตนมานานกว่าสิบปี ไม่เคยมีพฤติการณ์แสดงออกว่าฝักใฝ่คอมมิวนิสต์ แต่เพื่อความสงบของบ้านเมือง ตนจะขอให้ทั้งสามลาออกเอง จากนั้นมีผู้ตะโกนถามว่า หากบุคคลทั้งสามไม่ยอมลาออก จะทำอย่างไร หม่อมราชวงศ์เสนีย์ตอบว่า ถ้าเช่นนั้น ตนจะลาออกเอง ซึ่งการเจรจาช่วงนี้ ต่อมามีการตัดต่อเป็นว่า หม่อมราชวงศ์เสนีย์ไม่เคยทราบมาก่อนว่าบุคคลทั้งสามเป็นคอมมิวนิสต์ และจะยอมลาออกเองเพื่อความสงบของบ้านเมือง[36]

เมื่อเสร็จสิ้นการเจรจาที่ทำเนียบรัฐบาลแล้ว หม่อมราชวงศ์เสนีย์เดินทางไปพบกับคณะนายทหารที่สนามเสือป่า โดยพลเรือเอกสงัดชี้แจงต่อหม่อมราชวงศ์เสนีย์ว่า เพื่อความสงบเรียบร้อยของบ้านเมือง ทหารกลุ่มตนมีความจำเป็นต้องรัฐประหาร ในเวลา 18:00 น. มิฉะนั้นจะมีทหารอีกกลุ่มหนึ่งก่อการในเวลา 04:00 น. ทั้งยังขอให้หม่อมราชวงศ์เสนีย์เป็นประธานที่ประชุมหรือเป็นที่ปรึกษา ซึ่งหม่อมราชวงศ์เสนีย์ปฏิเสธไปทั้งหมด โดยให้เหตุผลว่าตนเดินคนละเส้นทางกับทหาร พลเรือเอกสงัดจึงขอให้หม่อมราชวงศ์เสนีย์ค้างคืนที่สนามเสือป่ากับฝ่ายทหารเป็นเวลาหนึ่งคืน[36] หม่อมราชวงศ์เสนีย์แต่งตั้งพลเรือเอกสงัดเป็นรัฐมนตรีว่าการกระทรวงกลาโหมในวันที่ 25 กันยายน คณะปฏิรูปการปกครองแผ่นดินเป็นกลุ่มนายทหารสายกลางซึ่งก่อการเพื่อป้องกันมิให้กลุ่มขวาจัดของพลตรีประมาณยึดอำนาจ[16] ข้อเท็จจริงที่ว่าพลตำรวจเอกชุมพลเจตนาลงนามอนุญาตให้ยิงแสดงว่าเขาทราบว่าจะมีรัฐประหาร เพราะรัฐบาลพลเรือนจะสั่งดำเนินคดีต่อเขา[42]