Експлозията избухва около 15:20 часа и събаря главния купол на църквата, затрупвайки вътре множество хора. Взривната вълна в затвореното помещение нанася допълнителни поражения.
При атентата загиват 134 души, други умират по-късно от раните си. Ранените са около 500. Загиват 12 генерали, 15 полковници, 7 подполковници, 3 майори, 9 капитани, 3 депутати и множество граждани, включително деца.
По случайност, всички членове на правителството се отървават само с леки наранявания. Цар Борис III не е в църквата, тъй като присъства на погребенията на убитите в атентата срещу него в прохода Арабаконак два дни по-рано.
Вечерта на 16 април в страната е обявено военно положение, което остава в сила до 24 октомври. По време на военното положение правителството предприема репресивни действия срещу крайната левица.
Част от организаторите на атентата – Димитър Златарев, Петър Абаджиев и Никола Петров – успяват да избягат през Кралството на сърби, хървати и словенци в Съветския съюз. Заговорниците се опитват да ликвидират своя съучастник Петър Задгорски, но той успява да се предаде на полицията и прави пълни самопризнания. Бързо е разкрито местоположението на ръководителите на Военната организация на БКП Коста Янков и Иван Минков, като първият е убит, а вторият се самоубива преди да бъде заловен.