1975年以後，伊拉克開始引進核反應堆設備和技術。以色列情報機構分析，至1981年底，伊拉克便能生產核武器。以色列對此深感不安：要消除伊拉克對自己的核威懾，必須將其徹底摧毀。爲實施這次軍事行動，以色列進行了周密的計劃和嚴格的訓練。最高大本營制定了代號“巴比倫行動”的計劃，抽調了 14架當時以軍裝備的最先進飛機，計6架F—15、8架F—16，精心挑選了24名第一流的飛行員，由參加過1967年、1970年和1973年幾次阿以戰爭的一名上校擔任指揮員，組成行動突擊隊。
爲了增強飛行員耐力，飛行員進行了長距離極限訓練，在內格夫沙漠地域上空進行難度較大的密集編隊訓練和長時間超低空飛行，爲達到一次命中目標，反覆進行了模擬轟炸，對製作的與核反應堆比例一致的假目標的突擊達到了準確無誤，確保萬無一失。
6月7日下午4時，偷襲飛機從埃齊翁機場起飛，編隊後，沿沙特、約旦邊境起伏地形作波浪式超低空飛行，使地面雷達難以發現。5時30分，偷襲飛機發現了座落在巴格達附近的核反應堆，目標三面築有一道馬蹄形土堤，四周部署有高炮和地空導彈陣地。
進入轟炸航路前，6架F—15躍升進行空中掩護，8架F —16爬高到大約610米高度開始突擊目標，投放下來的精確制導炸彈，穿透了混凝土結構的圓形屋頂，其餘飛機單機跟進，將炸彈投進了被炸開的缺口，準確地命中了目標。整個襲擊歷時僅兩分鐘。
伊拉克原子反應堆的圓形屋頂徹底坍塌，中心大樓被夷爲平地，工廠廠房成爲一片廢墟，另外兩座輔助建築也遭到嚴重破壞，核反應堆被徹底摧毀。襲擊過程中，目標周圍的高炮發射了大量炮彈，但一架飛機也未擊中。防空導彈沒有任何反應，巴格達附近的戰鬥機也未有一架起飛攔截。以色列機羣完成偷襲任務後直線返航安全着陸。
此次空襲，經過精心策劃和準備，保密措施極其嚴格，計劃的知情者僅限突擊編隊及指揮人員，對家屬和其軍官絕對封鎖消息。突擊編隊也只是提前一天得知具體行動時間的。當以色列總理在內閣會議宣佈飛機剛剛起飛正飛往伊拉克轟炸原子反應堆時，內閣成員亦爲之震驚。
以色列將突擊飛機全部塗上迷彩和約旦空軍標記，當機羣沿約旦、沙特邊境飛行時，沙特雷達曾發現並令其通報身份，以色列飛行員即以流利的阿拉伯語回答道：“是約旦空軍，例行訓練。”對方信以爲真。當約旦雷達發現時，由於機羣編隊密集，在雷達屏幕上顯示的圖像只是一個模糊的亮點，很像一架大型運輸機，以飛行員即用國際通用美語回答是“民航機”，再次矇混過關。
在整個航程中爲了保密，飛機與本土指揮部保持無線電靜默。在攻擊目標時，有的飛機俯衝投彈，使炸彈垂直貫穿反應堆的主建築厚達數米的水泥頂層，有的水平投彈，讓炸彈斜穿較薄的主建築牆壁，有的緊靠建築物四周投彈，破壞反應堆的地下部分。由於飛行員轟炸精確，使用的又是威力較大的火箭助推侵徹炸彈，因此反應堆的主建築及設備遭到徹底破壞。
據在現場目睹了以色列突擊的一位法國專家說：“轟炸的精確度令人目瞪目呆。”有人估計，若要重建這座反應堆，至少需要5年以上的時間。
1981年6月7日下午，以色列空軍的14架戰鬥機編隊飛離基地，首先沿沙特-約旦邊境超低空飛行，利用兩國雷達警戒範圍的空隙躲避兩國雷達。這14架戰機在飛行過程中都保持無線電靜默互不聯繫，只是在飛越幾個預定區域時，由領隊向基地發出暗語“黃沙丘”，表示一切順利。
當編隊機羣沿沙特-約旦邊境飛行時，被沙特雷達發現，沙特方面命令編隊報明其身份，以軍飛行員用極流利的阿拉伯語回答：“約旦空軍，例行訓練。”由於以機全部塗上了約旦空軍標誌，沙特人員信以爲真。當約旦雷達站發現時，由於以色列機羣以密集隊形飛行，在雷達屏幕上呈現出一個大的模糊亮點，很像一架大型民用客機，以色列飛行員又用國際民航常用的英語回答：“民航班機”又一次矇混過關。
當機羣飛越沙特西北角時，美軍駐沙特基地的一架E-3A空中預警機正在巡邏，由於其偵察的主要方向是海灣，與以軍編隊相距很遠，因而也未能發現以色列機羣的飛行方向和偷襲行動。經過1000公里長途跋涉，突擊機羣於下午18時30分左右飛抵伊拉克即將要竣工的核工廠的上空。
由於以色列飛機來得如此突然，以至擔任守衛的伊拉克軍方竟茫然不知所措，在覈反應堆周圍部署的數10門高炮和薩姆-6地對空導彈，完全沒有做出反應，附近機場駐紮的殲擊機部隊也沒有準備起飛。以色列突擊機羣從天而來，如入無人之境，在F-15型戰鬥機警戒掩護下，由擔任攻擊任務的8架F-16戰機，由西向東進入戰區，因爲這樣既可使飛行員視線清楚，又使伊拉克地面防空部隊因陽光刺眼無法瞄準攔截以軍飛機。
隨後，按預先分工以軍飛機從不同角度實施轟炸，有的作俯衝投彈，使炸彈垂直貫穿核反應堆主建築頂層厚達數米的“安全桶”水泥蓋板;有的水平投彈，讓炸彈斜穿較薄的主建築牆壁，有的則向核反應堆四周投彈，以破壞其地下部分。由於投彈精確，以軍火箭助推炸彈威力巨大，在短短的2分鐘內，反應堆的主建築及設備均遭徹底破壞，同時，還摧毀了位於地下4米的核燃料-“鈈”的後處理工廠。
據當時在現場目睹轟炸過程的法國專家說：“炸彈幾乎一米不差地落在反應堆主建築上，主建築全部倒塌，水泥頂蓋全部被掀掉，反應堆完全遭破壞。”
這就是以色列軍方蓄謀已久的“巴比倫”行動，該行動取得“完全的成功”。徹底摧毀伊拉克的核能力，並使得伊拉克在相當長的時間內無法恢復核能力，以軍14架飛機編隊飛行長途奔襲，精確投彈命中目標，往返二千多千米，順利安全返航。而伊拉克的殲擊機根本未及起飛迎戰，此次戰鬥旗開得勝，引得舉世關注。並在相當長的時間內成爲世界各國軍隊教科書上的經典戰例。
