После этого военнослужащими из автоматов был произведен предупредительный залп вверх, отчего шумевшие и напиравшие на солдат люди отхлынули назад. Из толпы раздались выкрики: «Не бойтесь, стреляют холостыми», после чего люди вновь ринулись к зданию горкома и к выставленным вдоль него солдатам. Последовал повторный залп вверх и затем был открыт огонь по толпе. Человек 1015 остались лежать на площади (из информации Генерального прокурора СССР Н. Трубина о событиях в Новочеркасске). На современном сайте города Новочеркасска можно прочитать, что стреляли пулеметчики или снайперы с крыши здания горкома.
После выстрелов и первых убитых толпа в панике побежала прочь.
В газете «Ведомости» 8 июня 2007 года был опубликован материал Павла Аптекаря «Что случилось в Новочеркасске? Генерал, который не стрелял». В нем было рассказано о том, что по воспоминаниям очевидцев первые пулеметные очереди поверх толпы попали в деревья, а на них сидели дети они забирались туда, чтобы лучше видеть. Участник событий Николай Степанов вспоминал:
«Две девочки, и еще кто-то лежал, кто не знаю. Я говорю глянь, что это такое? Детей постреляли!»
Началась паника. После выстрелов посыпались, как груши, любопытные мальчишки, забравшиеся на деревья в скверике. Сидя на дереве среди ветвей, наблюдал за происходившим и двенадцатилетний Саша Лебедь (будущий генерал и кандидат в президенты России Александр Лебедь). Жил он на соседней улице Свердлова, которая теперь названа его именем, всего в квартале от горкома. Естественно, не мог не прибежать и не поглядеть. Он сам об этом потом рассказывал, когда приезжал в город во время персональной президентской кампании. О том, как после первых выстрелов кубарем скатился вниз, как каким-то чудом перемахнул через высоченный забор. Видел, вроде бы, и убитых малышей. Очевидцы вспоминают про рассыпанную обувь и белые детские панамки. Они валялись по всей кроваво-грязной площади. Однако в опубликованных списках жертв мальчишки не значились.
Одновременно у горотделов милиции и КГБ также собралась агрессивно настроенная толпа, которая оттеснила охранявших здания военнослужащих 505-го полка внутренних войск и предприняла попытку ворваться в отдел милиции через выбитые окна и двери с целью освободить задержанных. Одному из нападавших удалось вырвать из рук рядового Репкина автомат, и из захваченного оружия нападавший пытался открыть огонь по военнослужащим. Опередив его, военнослужащий Азизов произвел несколько выстрелов и убил нападавшего. При этом были убиты еще четыре лица из числа нападавших, другие нападавшие получили ранения. Более 30 нападавших были задержаны.
Несмотря на расстрел, выступления в городе продолжались. Отдельные митингующие бросали камни в проезжавших солдат, пытались заблокировать движения по улицам. Не было внятной информации о случившемся, по городу ползли самые жуткие слухи о людях, расстрелянных из пулеметов чуть ли не сотнями, о танках, давящих толпу. Некоторые призывали убивать уже не только руководителей, но и всех коммунистов и «всех очкастых».
В городе объявили комендантский час и стали транслировать записанное на магнитофон обращение Микояна. Оно не успокоило жителей, а вызвало только раздражение. 3 июня многие продолжали бастовать, а перед зданием горкома опять начали собираться люди, численностью до 500 человек. Они требовали отпустить задержанных в результате уже начавшихся арестов. Около 12:00 власти начали активную агитацию с помощью лояльных рабочих, дружинников и партактива, как в толпе, так и на заводах. После чего по радио выступил Ф. Р. Козлов. Он возложил всю вину за произошедшее на «хулиганствующих элементов», «застрельщиков погромов», и представил ситуацию так, что стрельба у горкома началась из-за просьбы 9 представителей митингующих о наведении порядка в городе. Также он пообещал некоторые уступки в торговле и нормировании труда. В результате принятых мер, а также начавшихся арестов (в ночь с 3 на 4 июня было задержано 240 человек), ситуация постепенно стала нормализовываться (В. А. Козлов, «Неизвестный СССР. Противостояние народа и власти 19531985 гг.», Москва, издательство «ОЛМА-ПРЕСС, 2006 год).
В больницы города с огнестрельными ранениями обратилось 45 человек, хотя пострадавших было гораздо больше (по официальным данным 87 человек): возможно, люди не хотели говорить о том, где были получены ранения, боясь преследования.
Погибло 24 человека, еще два человека убиты вечером 2 июня при невыясненных обстоятельствах (по официальным данным). Все тела погибших поздно ночью вывезли из города и похоронили в чужих могилах, на разных кладбищах Ростовской области. Спустя 30 лет, в 1992 году, когда документы были рассекречены и сняты расписки, которые давали свидетели событий, останки 20 погибших нашли на кладбище Новошахтинска, все останки были идентифицированы и захоронены в Новочеркасске (газета «Вести». «45 лет Новочеркасской трагедии», 2007 год).
Позднее в Новочеркасске прошел суд над «зачинщиками беспорядков». Они были выявлены благодаря агентам, которые специально делали фотографии возмутившейся толпы. Тех, кто на этих снимках шел в первых рядах и вел себя наиболее активно, вызывали в суд. Им были предъявлены обвинения в бандитизме, массовых беспорядках и попытке свержения Советской власти, почти все участники признавали себя виновными.