Saat mobil berhenti muncul lima pria bersenjata yang langsung memberondong tembakan. Sempat terjadi baku tembak antara pelaku dan pengawal. Fakhrizadeh mengalami luka berat serta tiga pengawalnya tewas di lokasi, sementara para pelaku melarikan diri.
Fakhrizadeh lalu dievakuasi menggunakan helikopter ke rumah sakit, namun nyawanya tak tertolong.
Nama Fakhrizadeh sempat disebut oleh Perdana Menteri Israel Benjamin Netanyahu pada 2018 sebagai sosok bertanggung jawab atas pengembangan nuklir negara itu. "Ingat nama itu, Fakhrizadeh," kata Netanyahu, saat itu. Dalam catatan Netanyahu, Mohsen memimpin misi nuklir yang disebut Amad (Harapan) Plan. Netanyahu juga menunjukkan foto pertama Fakhrizadeh dan menjulukinya sebagai 'manusia bayangan' dalam upaya senjata nuklir Iran.