林宅血案的案發當天，也就是1980年2月28日那一天，兇手進入屋內行兇曾停留80分鐘。然而，林義雄當時因美麗島事件遭到關押，住家被情治單位全天候監控、電話也被監聽，在此情況下，兇手竟能堂而皇之進入林宅長達80分鐘，不僅身份未被發現，關鍵證據也被毀損，因此啟人疑竇。
根據促轉會的「林義雄宅血案調查報告」資料，當天凌晨2點，林義雄妻子方素敏看到林宅對面雜貨店前坐有一男子，舉止詭譎，不時望向家裡的方向。後經警方查訪得知，該男子為守望相助員黃立孚。
上午9點40分，方素敏告訴林義雄的母親林游阿妹要去軍法處，請其照看小孩後就離開家中；10點，方素敏抵達軍法處；11點15分林游阿妹出門；11點30分之前，方素敏打電話回家，由雙胞胎之一接聽，當時林游阿妹剛出門，家中僅剩雙胞胎姊妹；11點55分左右，澳洲學者「大鬍子」家博致電林家與雙胞胎通話，證實此時雙胞胎仍然安全且能正常通話。
接下來，就是關鍵的行兇80分鐘，就在家博和雙胞胎姐妹通話結束不久，雙胞胎姊妹在12點至12點10分之間遇害，致命傷均是背部遭刺入1刀致命。
在12點10分到12點30分之間，方素敏3度打電話回家，均無人接聽，因此，方素敏將林宅鑰匙交給林義雄秘書田秋堇，請她回家查看為何沒人接電話。
12點20分左右，林義雄長女林奐均放學返抵林宅，隨後林奐均遇襲，身中6刀，受到重傷；不久後，大約12點30分到40分之間，林游阿妹回到林宅，被刺14刀身亡。
根據監聽紀錄顯示，13點10分，一名疑似兇嫌的男子自林宅撥打104查號台，詢問金琴西餐廳電話；13點12分，該名男子自林宅致電金琴西餐廳找「王春風（發）」，通話約10秒後掛斷，據研判，這個姓王的人可能是涉嫌主謀或者是暗語。
案發之後，大約下午1點30分，田秋堇抵達林宅，於林義雄夫婦臥室發現受傷的林奐均；1點56分，田秋堇自林宅向大安分局報案，1點57分，田秋堇自林宅致電馬偕醫院，馬偕醫院表示現在沒有救護車，1點58分，田秋堇自林宅致電119。
下午2點45分，方素敏回到軍法處，得知孩子衣服被刀刺破、婆婆被殺害。方素敏就到衛理幼稚園尋找雙胞胎，發現雙胞胎沒上學；下午3點30分，北市刑警大隊技正顧鴻樁發現雙胞胎陳屍地下室儲藏室。
直到1980年2月29日凌晨，林義雄才得知林奐均受重傷、母親已遇害身亡。至同日早上，親友才告知林義雄及方素敏，雙胞胎林亮均及林亭均亦遇害身亡。
