Zamachowiec znalazł się na otwarciu wystawy fotograficznej, w której uczestniczył dyplomata. Według świadków wysoki mężczyzna stojący za ambasadorem nagle wydobył broń i wystrzelił ambasadorowi w plecy. Karłow został ciężko ranny i zmarł w szpitalu, do którego go natychmiast przewieziono. Lekarze stwierdzili, że w ciele było jedenaście kul.
Dyplomata otwierał wystawę fotograficzną „Rosja oczami podróżników. Od Kaliningradu do Kamczatki". Zamachowiec podobno oddał w sumie 15–20 strzałów. Pomimo takiej kanonady tylko trzy osoby obecne w sali zostały ranne. Sam zamachowiec został zabity. Wcześniej krzyczał: „Wy strzelaliście do bezbronnych ludzi! Allah Akbar!" i „My umieramy w Aleppo, wy umieracie tutaj!".