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!".
Po zastrzeleniu ambasadora zamachowiec zerwał ze ścian kilka fotografii, co cześć osób obecnych na sali wykorzystało by uciec z budynku. Następnie wszedł na pierwsze piętro i zginął po 15-minutowej strzelaninie z policją, która zdążyła nadjechać. Obecnie w jego domu trwa rewizja, policja zatrzymała jego matkę i siostrę.
Zabójcą rosyjskiego ambasadora okazał się 22-letni policjant Mevlut Mert Altintas. Według informacji tureckiego ministerstwa spraw wewnętrznych zamachowiec urodził się w prowincji Aydin, w południowo-zachodniej Turcji. W 2014 roku ukończył szkołę policyjną w Izmirze, po czym służył w policyjnych oddziałach używanych do tłumienia rozruchów. Do galerii, w której otwierano wystawę wszedł używając służbowej legitymacji - jednak władze twierdzą, że była ona podrobiona.
Według Ankary Altintas został zwolniony z policji za współudział w nieudanym puczu w lipcu obecnego roku. Inne źródła twierdzą, że należał do organizacji FETO na której czele miał stać opozycjonista Fethullah Gülen.
