Letupan pertama berlaku di stesen Lubyanka kira-kira 7:56 pagi waktu tempatan (3:56 pagi UTC), diikuti letupan kedua di Stesen Park Kultury kira-kira 8:38 pagi. Keadaan huru-hara dan rempuh-merempuh berlaku di kedua-dua stesen di mana para penumpang cuba untuk melarikan diri.[6]

Kejadian letupan tersebut dipercayai merupakan pengeboman berani mati yang dilakukan oleh dua orang wanita yang memakai tali pinggang letupan, agaknya menggunakan peranti peletupan yang terpasang dalam telefon bimbit lalu dihidupkan oleh panggilan diri.[10]Waktu serangan adalah serentak dengan muatan penumpang maksimum sistem pengangkutan bawah tanah pada waktu sibuk pagi hari bekerja. Saksi-saksi memberi keterangan bahawa ada penumpang terselamat yang cedera parah sehingga melumur-lumur darah pada lantai dan dinding sehingga mendapat penjagaan doktor.[11]

Alexander Bortnikov, ketua FSB, berkata siasatan pihaknya menuju kepada "puak pengganas yang berhubungan dengan Caucasus Utara".[12]