ตามรายงานของรัฐบาลยูเครน ในเช้าวันที่ 8 เมษายน พลเรือนยูเครนจำนวนระหว่าง 1,000–4,000 คน (ซึ่งส่วนใหญ่เป็นผู้หญิงและเด็ก) กำลังรอขึ้นรถไฟที่สถานีกรามาตอสก์เพื่ออพยพออกจากพื้นที่ซึ่งกำลังถูกรัสเซียยิงถล่มอย่างหนัก[16][17]

เมื่อเวลา 10:28 น. (ตามเวลาท้องถิ่น) ขีปนาวุธทิ้งตัวลูกหนึ่งพร้อมหัวรบที่บรรจุระเบิดลูกปรายได้พุ่งเข้ามาทางสถานีรถไฟกรามาตอสก์ เมื่อใกล้ถึงสถานีรถไฟ ขีปนาวุธได้แตกออกกลางอากาศและปล่อยระเบิดขนาดเล็ก 50 ลูกตกสู่อาคารสถานีรถไฟ ชานชาลา รางรถไฟ รถไฟ รถยนต์หน้าสถานี และพื้นที่โดยรอบซึ่งมีผู้คนรวมตัวกันอยู่จำนวนมาก[18] ผู้ปฏิบัติงานช่วยเหลือจากเวิลด์เซนทรัลคิตเชินซึ่งอยู่ในเหตุการณ์เล่าว่าเขาได้ยิน "เสียงระเบิดดังขึ้น 5–10 ครั้ง"[16]

สื่อของยูเครนเริ่มทยอยรายงานเหตุการณ์ตั้งแต่เวลาประมาณ 10:45 น.[19] รายงานข่าวต่าง ๆ บรรยายสภาพที่เกิดเหตุว่าเต็มไปด้วยกองเลือด ศพผู้เสียชีวิตเกลื่อนกลาดท่ามกลางกระเป๋าเดินทางที่ถูกทิ้งไว้ ผู้เสียชีวิตและผู้บาดเจ็บหลายคนแขน ขา และอวัยวะอื่น ๆ ฉีกขาด และหลายคนมีบาดแผลฉกรรจ์ตามร่างกาย[10][18][20] หน่วยเผชิญเหตุเบื้องต้น อาสาสมัครประจำสถานี และประชาชนทั่วไปช่วยกันดำเนินการปฐมพยาบาลแก่ผู้บาดเจ็บ คนขับรถพยาบาลคนหนึ่งซึ่งมาถึงที่เกิดเหตุไม่กี่นาทีให้หลังเล่าว่า "ผู้คนกรีดร้องกันระงม ร้องอย่างเจ็บปวดมาก ๆ ผมได้ยินเสียงร้องของคนที่มีชีวิตอยู่เหลือเพียง 20–40 วินาที ได้ยินเสียงร้องครั้งสุดท้ายก่อนเขาตาย ผมเห็นแขนขา เห็นแขนขาของเด็กหล่นอยู่ตามพื้น ผมเห็นหัวคนกลิ้งอยู่ที่พื้น"[18]

ในตอนแรกมีการระบุว่าอาวุธที่ใช้ในการก่อเหตุคือขีปนาวุธทิ้งตัวอิสคันเดียร์[21] แต่ต่อมา เปาลอ กือรือแลนกอ ผู้ว่าการแคว้นดอแนตสก์ ระบุว่าน่าจะเป็นขีปนาวุธตอชคาอูที่บรรจุระเบิดลูกปรายมากกว่า[16] ทีมสืบสวนของฮิวแมนไรตส์วอตช์สำรวจพบจุดที่ระเบิดปะทุรวมทั้งสิ้น 32 จุด กระจายทั่วพื้นที่ 55,000 ตารางเมตร[18]

ด้านนอกของซากขีปนาวุธซึ่งตกอยู่ในบริเวณสถานีมีข้อความสีขาวเขียนไว้ว่า ЗА ДЕТЕЙ ซึ่งเป็นภาษารัสเซียแปลว่า "[แก้แค้น] ให้เด็ก ๆ"[22] นอกจากนี้ยังมีหมายเลขลำดับ Ш91579 กำกับไว้ ซึ่งเจ้าหน้าที่สืบสวนกล่าวว่าอาจช่วยในการแกะรอยไปสู่คลังแสงต้นทางได้[23][24]