W czasie środowej audiencji ogólnej 13 maja 1981 o godz. 17.00 Ojciec Święty rozpoczął objeżdżanie odkrytym jeepem Placu św. Piotra, błogosławiąc przybyłych pielgrzymów. Dwadzieścia minut później turecki płatny morderca Mehmet Ali Agca trzykrotnie wystrzelił do papieża, ciężko raniąc go. Zamachowca ujęto w pobliżu miejsca zbrodni, Jana Pawła II przewieziono zaś natychmiast do rzymskiej kliniki im. Agostino Gemellego.

Tam podczas pięciogodzinnej operacji lekarzom udało się powstrzymać upływ krwi, pozszywać rozszarpane kulami narządy wewnętrzne i uratować życie pacjentowi. Papież przeżył zamach, ale już nigdy nie odzyskał pełni sił.

"Agca strzelał, by zabić" - jest przekonany metropolita krakowski kard. Stanisław Dziwisz. Relacja papieża i jego ówczesnego sekretarza zawarta jest w końcowym fragmencie książki Jana Pawła II "Pamięć i tożsamość":

- Ten strzał powinien był być śmiertelny. Kula przeszyła ciało Ojca Świętego, raniąc go w brzuch, prawy łokieć i palec wskazujący lewej ręki. Upadła między papieżem, a mną. Usłyszałem jeszcze dwa strzały, dwie stojące w pobliżu osoby zostały zranione. Zapytałem Ojca Świętego: "Gdzie?". Odpowiedział: "W brzuch". "Boli?" - "Boli". 

- Poczułem się, jakby cały świat zawalił mi się na głowę i nie wiem, jak mogłem w szoku fotografować, ale z pewnością kierowała mną ręka Matki Bożej

 - wspominał w rozmowie z KAI papieski fotograf Arturo Mari.

Agca został natychmiast aresztowany i szybko osądzony, ale to tragiczne wydarzenie ciągle pozostaje bez wyjaśnienia. Sprzeczne domniemania krążą do dziś na temat motywów, planu i przebiegu zamachu i ewentualnych jego zleceniodawców. Ali Agca, płatny morderca z ugrupowania "Szare wilki", chciał zamordować "jedynego papieża z bloku wschodniego" już w 1979 r. podczas jego wizyty w Turcji.

W kilka tygodni po zamachu na Placu św. Piotra włoski sąd skazał Turka na dożywocie. W grudniu 1983 r. Jan Paweł II odwiedził go w rzymskim więzieniu. Zamachowiec oskarżał początkowo wywiad bułgarski, wkrótce zmienił zeznania, wikłał się w różnych zeznaniach. Wprowadzając śledztwo na fałszywy trop, starał się zatrzeć swoje kontakty i chronił swoich mocodawców. Jak obliczyli obserwatorzy procesu, w czasie śledztwa Agca podał ponad sto różnych wersji wyjaśnień swojego czynu.

Wielki proces, który miał doprowadzić do wyjaśnienia wszystkich szczegółów zamachu, zakończył się w 1986 r. de facto bez żadnych rezultatów. Tylko jeden z oskarżonych został skazany na więzienie i to za nielegalne posiadanie broni. Pozostali, z braku dowodów, wyszli na wolność.

Istnieją trzy tezy na temat mocodawców zamachu. Według pierwszej pochodzili oni z krajów bloku wschodniego, gdzie w papieżu-Polaku widziano zagrożenie dla ideologii komunistycznej. Inna wersja wskazuje na działania fundamentalistów islamskich, podczas gdy trzecia, która pojawiła się wkrótce po zamachu, utrzymywała, jakoby w sprawę uwikłane były zachodnie służby tajne, w tym amerykańska CIA.

Często powtarzanym wątkiem był udział w zamachu tajnych służb bułgarskich, czemu ostatecznie zaprzeczył sam Jan Paweł II. Podczas wizyty w Bułgarii w maju 2002 roku w rozmowie z prezydentem kraju Georgim Pyrwanowem, w 21 lat po wydarzeniach na Placu św. Piotra, zapewnił, że nigdy nie wierzył w "bułgarski ślad", gdyż zawsze żywił ciepłe uczucia, szacunek i cześć dla narodu bułgarskiego. Sprawa "bułgarskiego śladu" powróciła na nowo w 2007 r., gdy podkomisja włoskiego parlamentu ujawniła nowe dowody. Na jednym ze zdjęć, wykonanym na Placu św. Piotra w chwili zamachu, widać w pobliżu miejsca zamachu wąsatego mężczyznę w ciemnych okularach - jest nim z pewnością Sergej Antonow, przedstawiciel bułgarskich linii lotniczych Balkan w Rzymie, wymieniany tuż po zamachu jako osoba w nim pośrednicząca.

Alego Agcę ułaskawił 13 czerwca 2000 prezydent Włoch Carlo Azeglio Ciampi, po czym deportowano go do więzienia w Turcji, gdzie rozpoczął odbywanie kary za zabójstwo tureckiego wydawcy. Ostatecznie wyszedł na wolność w styczniu 2010 r. Odsiadując wyrok w więzieniu w Ankonie, Agca wielokrotnie prosił Jana Pawła II o wstawienie się za nim u włoskich władz sądowniczych. Prokuratura zawsze jednak odpowiadała, że dotychczas zamachowiec składał sprzeczne zeznania, jeśli chodzi o przebieg czynu i wskazanie jego mocodawców. Watykan z zadowoleniem przyjął wiadomość o ułaskawieniu terrorysty.

Rzecznik prasowy Joaquin Navarro-Valls oświadczył wtedy, że decyzja ta, "podjęta podczas Wielkiego Jubileuszu, daje tym większą satysfakcję Ojcu Świętemu". - Ten pontyfikat nie mógł się tak skończyć - twierdzi dr Gabriel Turowski z Krakowa, od lat bliski przyjaciel Karola Wojtyły. Po zamachu 13 maja 1981 był on członkiem zespołu konsultantów w klinice im. Gemellego. Swoje wspomnienia zawarł w wydanej w 2001 wraz z papieskim fotografem Arturo Marim książce "Zamach". Zwrócił w niej uwagę na szereg cudownych wydarzeń, które uratowały życie Ojca Świętego, wymieniając przede wszystkim fakt, że w chwili, gdy padły strzały, Papież pochylił się i podniósł dziecko.

Jedna z kul wystrzelonych do Jana Pawła II, trafiła w kobietę uczestniczącą w audiencji: Amerykankę polskiego pochodzenia, urodzoną w Wadowicach dokładnie tego samego roku i dnia, co Karol Wojtyła.

- Zamach nastąpił co do minuty o tej samej porze, co objawienie Matki Bożej w Fatimie: o godz. 17.19

 - przypomniał prof. Turowski. Jego zdaniem, to zadecydowało o wielkim kulcie, jakim Jan Paweł II otaczał Matkę Bożą Fatimską i Jej orędzie.