Nigdy nie udało się definitywnie potwierdzić tego, kto stał za próbą zabicia papieża. Sprawca zamachu, przebywający od kilku lat na wolności, przedstawił wiele wersji i jest uważany za osobę całkowicie niewiarygodną.

Na pięć dni przed swymi 61. urodzinami, 13 maja 1981 roku, w uroczystość Matki Bożej Fatimskiej przed godz. 17 papież wjechał otwartym samochodem terenowym na plac przed bazyliką watykańską na tradycyjną środową audiencję generalną.

W aucie razem ze stojącym Janem Pawłem II byli jego sekretarz ks. Stanisław Dziwisz, osobisty kamerdyner Angelo Gugel i żołnierz Gwardii Szwajcarskiej Alois Estermann, jej późniejszy dowódca.

Podczas tradycyjnego objazdu placu papież pozdrawiał wiernych. Na wysokości Spiżowej Bramy schylił się, by objąć półtoraroczną włoską dziewczynkę.

Kilka metrów obok stał 23-letni Agca. To on również, powiązany z ultranacjonalistyczną turecką organizacją Szare Wilki, groził dwa lata wcześniej, w czasie wizyty polskiego papieża w Turcji, że go zabije. Zbiegł z więzienia, gdzie odbywał karę za zabójstwo tureckiego dziennikarza Abdi Ipekciego, obrońcy praw człowieka.

O godzinie 17.17 Agca wyjął pistolet Browning i z bliskiej odległości oddał strzały do Jana Pawła II, ciężko raniąc go w brzuch, a także w łokieć i palec.

Zamachowiec zaczął uciekać, ale za rękę złapała go zakonnica. Uzbrojony Agca wyrwał się i znów podjął ucieczkę, wyrzucając po drodze pistolet; po kilku minutach został zatrzymany przez policjantów. Krzyczał wówczas po angielsku "I only, I only" (tylko ja, tylko ja), co interpretowano potem jako zapewnienie, że działał sam.

Na placu Świętego Piotra wybuchła panika.

Rannego papieża zawieziono w papamobile pod budynek watykańskiej przychodni, gdzie na ulicy położono go na noszach. Lekarze orzekli, że jego stan z powodu dużej utraty krwi jest bardzo ciężki. Dlatego zapadła decyzja o natychmiastowym przewiezieniu go do kliniki Gemelli.

Papieża bez żadnej policyjnej eskorty wieziono kwadrans ambulansem, podarowanym mu przez katolickich lekarzy. Karetkę tę oglądał zaledwie dzień wcześniej, gdy składał wizytę w przychodni.

W karetce jego stan pogarszał się. W swej książce "Pamięć i tożsamość", wydanej w 2005 roku, papież wspominał: "Pamiętam tę drogę do szpitala. Zachowałem jeszcze przez pewien czas świadomość. Miałem poczucie, że przeżyję. Cierpiałem, był powód do strachu, ale miałem taką dziwną ufność. Mówiłem do księdza Stanisława, że wybaczam zamachowcowi”.

Do szpitala Jan Paweł II trafił w stanie niemal krytycznym.

Lekarze, którzy natychmiast przystąpili do operacji, prowadzili trwającą ponad pięć godzin dramatyczną walkę o jego życie.

Przyjęła się dopiero druga transfuzja. Gdy pierwszą organizm odrzucił, pracownicy kliniki oddawali krew dla papieża. Okazało się, że kula przeszła zaledwie o kilka milimetrów od tętnicy głównej.

W pierwszym komunikacie medycznym wydanym po operacji poinformowano, że jej wynik jest pomyślny. Istniało jednak duże ryzyko wystąpienia grożących śmiercią komplikacji pooperacyjnych.

Do szpitala przyjechał prezydent Włoch Sandro Pertini; przez cały czas czuwał pod salą operacyjną.

Wydany następnego dnia rano dziennik „La Stampa” ogłosił w wielkim nagłówku: „Papież w bardzo ciężkim stanie, może zostanie uratowany”.

Cztery dni po zamachu bardzo słaby papież zwrócił się do wiernych za pośrednictwem Radia Watykańskiego, mówiąc: „Modlę się za brata, który mnie zranił, a któremu szczerze przebaczyłem. Zjednoczony z Chrystusem, Kapłanem i Ofiarą, składam moje cierpienie w ofierze za Kościół i świat".

Jego rekonwalescencja w szpitalu i w Watykanie trwała kilka miesięcy.

Podczas trwającego prawie dwa miesiące dochodzenia aresztowany Ali Agca wielokrotnie zmieniał zeznania bądź odmawiał odpowiedzi, co śledczych utwierdziło w przekonaniu, że jest kłamcą, osobą niezrównoważoną lub cynikiem, który chce uchodzić za szaleńca.

Proces Agcy rozpoczął się w Rzymie 20 lipca 1981 roku. Po dwóch dniach został skazany na dożywocie.

27 grudnia 1983 r. odwiedził go w więzieniu w Rzymie Jan Paweł II i długo z nim rozmawiał.

Przed włoskim sądem odbył się też drugi proces w sprawie zamachu, w którym w 1985 roku na ławie oskarżonych zasiadł ówczesny pracownik rzymskiego biura bułgarskich linii lotniczych Sergej Antonow pod zarzutem współudziału w zamachu. Zaocznie sądzono zaś razem z nim dwóch innych Bułgarów-dyplomatów, którzy wyjechali z Włoch i byli niedostępni dla włoskiego wymiaru sprawiedliwości. Proces w sprawie tzw. bułgarskiego śladu zamachu, czyli udziału komunistycznych służb tego kraju, zakończył się oczyszczeniem z zarzutów z powodu braku dowodów.

Nie udało się na przykład potwierdzić tezy, że ciężarówka zaparkowana w dniu zamachu przed ambasadą Bułgarii w Rzymie, naprzeciwko polskiej placówki dyplomatycznej, miała bezpiecznie wywieźć Agcę.

W czasie wizyty w Bułgarii w 2002 roku papież oświadczył, że nigdy nie wierzył w tzw. bułgarski ślad i zawsze zachowywał ciepłe uczucia, szacunek i podziw dla narodu bułgarskiego. Deklarację tę odczytał wówczas mediom w Sofii rzecznik prasowy Watykanu.

W czerwcu 2000 roku Agca został ułaskawiony przez ówczesnego prezydenta Włoch Carlo Azeglio Ciampiego i przekazany Turcji, gdzie odbywał potem resztę kary za zabójstwo dziennikarza w 1979 r.

Na wolność wyszedł ostatecznie w styczniu 2010 roku, po blisko 30 latach spędzonych w więzieniach. Wydał w swoim kraju książkę, udzielił kilku wywiadów.

27 grudnia 2014 roku, w 31. rocznicę spotkania z Janem Pawłem II w rzymskim więzieniu, Agca pojawił się nieoczekiwanie przy jego grobie w bazylice Świętego Piotra. Złożył tam bukiet białych róż. Zaraz potem zatrzymała go przy placu Świętego Piotra włoska policja, która ustaliła, że nielegalnie wjechał do Włoch. Został wydalony.

We Włoszech sprawą zamachu zajmowała się oficjalnie także parlamentarna komisja badająca działalność służb byłego bloku wschodniego w tym kraju. W swym raporcie komisja stwierdziła, że bułgarskie służby specjalne wynajmując płatnego zabójcę Agcę działały na polecenie radzieckiego wywiadu wojskowego GRU, a inspiratorem próby zabicia papieża było najwyższe kierownictwo ZSRR.

Zwolennikiem tej tezy jest od lat emerytowany sędzia śledczy Ferdinando Imposimato, który prowadził dochodzenie w tej sprawie i zeznawał potem przed tą komisją w parlamencie.

Jan Paweł II wypowiedział się na temat zamachu w książce "Pamięć i tożsamość", mówiąc: "Myślę, że był on jedną z ostatnich konwulsji XX-wiecznych ideologii przemocy. Przemoc propagował faszyzm i hitleryzm, przemoc propagował komunizm".

Od 2012 roku w kolekcji papieskich powozów i pojazdów w Muzeach Watykańskich jest wystawiony biały odkryty samochód terenowy, w którym stał papież w chwili zamachu.

Do muzeum w domu rodzinnym Jana Pawła II w Wadowicach w 2014 roku przekazano pistolet, z którego strzelał Ali Agca. Broń, przechowywana w Muzeum Kryminologicznym w Rzymie, została wypożyczona stronie polskiej na trzy lata.

W miejscu, gdzie padły strzały, na placu Świętego Piotra wmurowano tablicę z herbem Jana Pawła II i datą zamachu zapisaną cyframi rzymskimi: XIII V MCMLXXXI.