L'opération pour la libération d'otages a permis d'éliminer tous les terroristes et de libérer la majorité des otages. Au total, selon les informations officielles, 130 ont été tués (selon l'association Nord-Ost — 174 personnes).
La prise d'otages à Moscou prévoyait la participation d'environ 50 combattants, dont la moitié était supposée être des femmes kamikazes. Les terroristes ont fait venir les armes dans les coffres de voitures. Pour les camoufler ils utilisaient des pommes. De plus, début octobre 2002, trois bombes puissantes ont été transportées d'Ingouchie à Moscou dans un camion de pastèques. Les terroristes ont rejoint la capitale en empruntant des itinéraires différents. La plupart d'entre eux sont arrivés par le bus Khassaviourt-Moscou quelques jours avant la prise du théâtre. Certaines kamikazes se sont rendues à Moscou par avion d'Ingouchie, alors que Movsar Baraev est arrivé le 14 octobre à la gare Kazanski par le train accompagné de deux autres combattants.
Initialement les terroristes comptaient attaquer le palais de jeunesse de Moscou, le théâtre Doubrovka et le théâtre d'estrade de Moscou. C'est le deuxième bâtiment qui a été choisi pour cible car il se trouvait loin du centre-ville, possédait une grande salle et peu d'autres locaux.
Le 23 octobre 2002, à 21h15 des hommes armés en tenue bariolée, venus en trois minibus, ont pénétré dans le théâtre Doubrovka. La majeure partie du groupe s'est rendu dans la salle de concert où était jouée la comédie musicale Nord-Ost devant plus de 800 spectateurs. D'autres combattants ont fouillé les autres locaux du centre théâtral pour réunir les personnes s'y trouvant dans la salle principale. Au total, 912 personnes ont été prises en otages (916, selon d'autres sources). Parmi elles se trouvaient également des citoyens d'autres pays.
Les terroristes ont installé les bombes le long des murs de la salle tous les cinq mètres, ainsi que des ballons métalliques au centre et sur le balcon avec des kamikazes postées en permanence à proximité. Chaque ballon contenait un obus d'artillerie de 152 mm. Ces obus étaient remplis entre la paroi et l'obus avec du shrapnel. Les femmes terroristes s'étaient installées en quinconce le long du mur opposé. Ils couvraient la salle par secteurs de 30 degrés. Leur ceinture explosive contenait 2 kg de plastic et 1 kg de billes métalliques. Les explosions planifiées étaient dirigées les unes en face de l'autre pour un effet létal maximal. Pour cela a été installée une commande centrale.
Les renforts de police sont arrivés au théâtre Doubrovka à 22 heures, ainsi que des forces spéciales, des militaires et des véhicules blindés.
Immédiatement après la prise d'otages certains acteurs et collaborateurs du théâtre, qui se trouvaient dans les locaux de service, ont réussi à fuir le bâtiment par la fenêtre et les sorties de secours. Tard dans la nuit les terroristes ont relâché 17 personnes sans aucune condition.
Le 24 octobre, à 5h30 une jeune femme est entrée dans le théâtre (il s'agissait d'Olga Romanova, vendeuse du magasin de parfums à côté), et à 8h15 — le colonel Konstantin Vassiliev. Tous les deux ont été abattus par les terroristes.
Les moyens techniques ont permis de fixer plusieurs contacts téléphoniques des terroristes avec leurs complices en Tchétchénie, en Turquie et dans d'autres pays arabes.
Le 24 octobre, à 19 heures la chaîne qatarie Al Jazeera a diffusé le message du chef terroriste Movsar Baraev enregistré quelques jours avant la prise d'otages au théâtre: les terroristes se proclamaient kamikazes et exigeaient la sortie des troupes russes du territoire tchétchène.
Les terroristes se comportaient de manière très agressive. Ils ont annoncé que dans la matinée du 26 octobre ils commenceront à tuer les otages.
La prise du bâtiment était élaborée par le QG opérationnel dès les premières minutes. Avant l'assaut les unités spéciales simulaient leurs actions sur un bâtiment identique.
Pour éviter une explosion inopinée et de nombreuses victimes il a été décidé de recourir au gaz neuroparalytique.
Dans la nuit du 25 au 26 octobre un groupe des forces spéciales s'est introduit au rez-de-chaussée du bâtiment où se trouvaient des locaux techniques. Les terroristes n'y descendaient pas en craignant les tireurs d'élite. Ils ont percé des orifices dans les murs et les parois. Cela a permis d'accéder à la ventilation, ainsi que d'installer des caméras.
Le 26 octobre, à 5h30 trois explosions ont retenti près du théâtre, ainsi que des coups de feu. Les forces spéciales ont lancé l'assaut vers 6 heures du matin. A 6h30 le porte-parole du FSB a annoncé que le théâtre était sous contrôle des forces spéciales et que Movsar Baraev et la plupart de ses complices étaient éliminés.
Un monument a été inauguré un an plus tard sur la place devant le théâtre, et une plaque commémorative avec les noms des victimes a été installée sur le bâtiment.
Une enquête pénale a été ouverte suite à la prise d'otages du 23 octobre 2002. Dans le cadre de l'enquête Chamil Bassaev, Zelimkhan Iandarbiev et Akhmed Zakaev ont été accusés par contumace d'organisation de l'attentat. Les deux premiers ont été éliminés en 2005-2006, Zakaev fuit la justice russe à l'étranger. L'enquête a établi que «Bassaev, étant le dirigeant d'une bande armée illégale sur le territoire de la République tchétchène a planifié des attentats à Moscou: des explosions dans les zones fréquentées et sociales». A ces fins il a créé une communauté criminelle de plus de 50 personnes. En juin 2003, le parquet de Moscou a suspendu les affaires pénales contre les preneurs d'otages du théâtre Doubrovka en raison de leur décès.
En avril 2004, le tribunal de Moscou a condamné à des peines de 15-22 ans de prison les frères Alikhan et Akhiad Mekiev, Aslan Mourdalov et Khanpach Sobraliev. Ils ont été reconnus coupables d'avoir fait exploser une voiture près d'un McDonald's au sud-ouest de Moscou, ainsi que de complicité terroriste et de prise d'otages au théâtre.
En juin 2007, l'enquête pénale sur la prise d'otages au théâtre Doubrovka a été suspendue suite au non-établissement de l'endroit où se trouvent les individus poursuivis et qui étaient recherchés par la direction de la police criminelle de la direction centrale du ministère de l'Intérieur de Moscou.
Le 17 décembre 2014 a été annoncée la reprise de l'enquête suite à l'interpellation de Khassan Zakaev. Selon l'enquête, il a organisé en 2002 le transport à Moscou d'armes et d'explosifs artisanaux qui ont été utilisés par les terroristes. Le tribunal militaire du district de Moscou a condamné le 21 mars 2017 Khassan Zakaev à 19 ans de colonie pénitentiaire à régime renforcé et a ordonné d'indemniser les plaintes civiles des victimes à hauteur de 37,5 millions de roubles (environ 550.000 euros). En août 2017, la Cour suprême a réduit la peine de Zakaev de 19 à 18 ans et 9 mois. L'un des complices de l'attentat, Guerikhan Doudaev, reste recherché au niveau international.
