1975年以后，伊拉克开始引进核反应堆设备和技术。以色列情报机构分析，至1981年底，伊拉克便能生产核武器。以色列对此深感不安：要消除伊拉克对自己的核威慑，必须将其彻底摧毁。为实施这次军事行动，以色列进行了周密的计划和严格的训练。最高大本营制定了代号“巴比伦行动”的计划，抽调了 14架当时以军装备的最先进飞机，计6架F—15、8架F—16，精心挑选了24名第一流的飞行员，由参加过1967年、1970年和1973年几次阿以战争的一名上校担任指挥员，组成行动突击队。
为了增强飞行员耐力，飞行员进行了长距离极限训练，在内格夫沙漠地域上空进行难度较大的密集编队训练和长时间超低空飞行，为达到一次命中目标，反复进行了模拟轰炸，对制作的与核反应堆比例一致的假目标的突击达到了准确无误，确保万无一失。
6月7日下午4时，偷袭飞机从埃齐翁机场起飞，编队后，沿沙特、约旦边境起伏地形作波浪式超低空飞行，使地面雷达难以发现。5时30分，偷袭飞机发现了座落在巴格达附近的核反应堆，目标三面筑有一道马蹄形土堤，四周部署有高炮和地空导弹阵地。
进入轰炸航路前，6架F—15跃升进行空中掩护，8架F —16爬高到大约610米高度开始突击目标，投放下来的精确制导炸弹，穿透了混凝土结构的圆形屋顶，其余飞机单机跟进，将炸弹投进了被炸开的缺口，准确地命中了目标。整个袭击历时仅两分钟。
伊拉克原子反应堆的圆形屋顶彻底坍塌，中心大楼被夷为平地，工厂厂房成为一片废墟，另外两座辅助建筑也遭到严重破坏，核反应堆被彻底摧毁。袭击过程中，目标周围的高炮发射了大量炮弹，但一架飞机也未击中。防空导弹没有任何反应，巴格达附近的战斗机也未有一架起飞拦截。以色列机群完成偷袭任务后直线返航安全着陆。
此次空袭，经过精心策划和准备，保密措施极其严格，计划的知情者仅限突击编队及指挥人员，对家属和其军官绝对封锁消息。突击编队也只是提前一天得知具体行动时间的。当以色列总理在内阁会议宣布飞机刚刚起飞正飞往伊拉克轰炸原子反应堆时，内阁成员亦为之震惊。
以色列将突击飞机全部涂上迷彩和约旦空军标记，当机群沿约旦、沙特边境飞行时，沙特雷达曾发现并令其通报身份，以色列飞行员即以流利的阿拉伯语回答道：“是约旦空军，例行训练。”对方信以为真。当约旦雷达发现时，由于机群编队密集，在雷达屏幕上显示的图像只是一个模糊的亮点，很像一架大型运输机，以飞行员即用国际通用美语回答是“民航机”，再次蒙混过关。
在整个航程中为了保密，飞机与本土指挥部保持无线电静默。在攻击目标时，有的飞机俯冲投弹，使炸弹垂直贯穿反应堆的主建筑厚达数米的水泥顶层，有的水平投弹，让炸弹斜穿较薄的主建筑墙壁，有的紧靠建筑物四周投弹，破坏反应堆的地下部分。由于飞行员轰炸精确，使用的又是威力较大的火箭助推侵彻炸弹，因此反应堆的主建筑及设备遭到彻底破坏。
据在现场目睹了以色列突击的一位法国专家说：“轰炸的精确度令人目瞪目呆。”有人估计，若要重建这座反应堆，至少需要5年以上的时间。
1981年6月7日下午，以色列空军的14架战斗机编队飞离基地，首先沿沙特-约旦边境超低空飞行，利用两国雷达警戒范围的空隙躲避两国雷达。这14架战机在飞行过程中都保持无线电静默互不联系，只是在飞越几个预定区域时，由领队向基地发出暗语“黄沙丘”，表示一切顺利。
当编队机群沿沙特-约旦边境飞行时，被沙特雷达发现，沙特方面命令编队报明其身份，以军飞行员用极流利的阿拉伯语回答：“约旦空军，例行训练。”由于以机全部涂上了约旦空军标志，沙特人员信以为真。当约旦雷达站发现时，由于以色列机群以密集队形飞行，在雷达屏幕上呈现出一个大的模糊亮点，很像一架大型民用客机，以色列飞行员又用国际民航常用的英语回答：“民航班机”又一次蒙混过关。
当机群飞越沙特西北角时，美军驻沙特基地的一架E-3A空中预警机正在巡逻，由于其侦察的主要方向是海湾，与以军编队相距很远，因而也未能发现以色列机群的飞行方向和偷袭行动。经过1000公里长途跋涉，突击机群于下午18时30分左右飞抵伊拉克即将要竣工的核工厂的上空。
由于以色列飞机来得如此突然，以至担任守卫的伊拉克军方竟茫然不知所措，在核反应堆周围部署的数10门高炮和萨姆-6地对空导弹，完全没有做出反应，附近机场驻扎的歼击机部队也没有准备起飞。以色列突击机群从天而来，如入无人之境，在F-15型战斗机警戒掩护下，由担任攻击任务的8架F-16战机，由西向东进入战区，因为这样既可使飞行员视线清楚，又使伊拉克地面防空部队因阳光刺眼无法瞄准拦截以军飞机。
随后，按预先分工以军飞机从不同角度实施轰炸，有的作俯冲投弹，使炸弹垂直贯穿核反应堆主建筑顶层厚达数米的“安全桶”水泥盖板;有的水平投弹，让炸弹斜穿较薄的主建筑墙壁，有的则向核反应堆四周投弹，以破坏其地下部分。由于投弹精确，以军火箭助推炸弹威力巨大，在短短的2分钟内，反应堆的主建筑及设备均遭彻底破坏，同时，还摧毁了位于地下4米的核燃料-“钚”的后处理工厂。
据当时在现场目睹轰炸过程的法国专家说：“炸弹几乎一米不差地落在反应堆主建筑上，主建筑全部倒塌，水泥顶盖全部被掀掉，反应堆完全遭破坏。”
这就是以色列军方蓄谋已久的“巴比伦”行动，该行动取得“完全的成功”。彻底摧毁伊拉克的核能力，并使得伊拉克在相当长的时间内无法恢复核能力，以军14架飞机编队飞行长途奔袭，精确投弹命中目标，往返二千多千米，顺利安全返航。而伊拉克的歼击机根本未及起飞迎战，此次战斗旗开得胜，引得举世关注。并在相当长的时间内成为世界各国军队教科书上的经典战例。