מערכת הביטחון הישראלית כולה שילבה זרועות במבצע "עם כלביא" ובהכנות המקדימות אליו. מטוסי חיל האוויר, שביצעו תקיפות במספר גלים לאורך הלילה, פעלו בסיוע מקדים של המוסד, שהשלים את הפעולה והעצים את הנזק לאיראנים. מקור ביטחוני ישראלי אמר כי נאסף מודיעין משמעותי ובוצע מעקב אחר בכירי מערכת הביטחון האיראנית ומדעני הגרעין שחוסלו. במקביל נוהלה מערכה מבצעית חשאית לפגיעה במערך הטילים האסטרטגי האיראני.
המוסד ביצע באיראן סדרת פעולות חשאיות שנועדו לשבש את יכולות ההגנה האוויריות ולפגוע במערך הטילים האסטרטגי של המשטר. במסגרתן, חדרו סוכני המוסד לאיראן, החדירו אמצעי לחימה מיוחדים בהיקפים נרחבים, פרסו אותם באתרים שונים ברחבי המדינה, והפעילו אותם בדיוק רב בעת התקיפה. יש דמיון רב בין פעולות אלו לבין המבצעים שביצעו האוקראינים לאחרונה נגד מטרות צבאיות אסטרטגיות ברוסיה.
לפי פרטי המבצע שנחשפו, בוצעו שלוש פעולות מרכזיות:
בפעולה הראשונה, חוליות קומנדו של המוסד פרסו מערכות נשק מונחות מדויקות בשטחים פתוחים במרכז איראן, סמוך למערכות טילי הקרקע-אוויר האיראניות. עם פתיחת המתקפה הישראלית, נדרכו המערכות, והטילים שוגרו באופן מתואם ומדויק לעבר המטרות.
בפעולה נוספת, במטרה לשבש את מערך ההגנה האווירית האיראני המאיים על מטוסי חיל האוויר, התקין המוסד מערכות תקיפה מתוחכמות על כלי רכב. עם פתיחת המתקפה שוגרו המערכות, והשמידו את יעדי ההגנה האיראנית.
במערכה השלישית הוקם בסיס רחפני נפץ שהוחדרו מבעוד מועד ללב איראן. במהלך המתקפה הופעלו הרחפנים ושוגרו לעבר משגרי טילי הקרקע-קרקע בבסיס אספג'אבאד הסמוך לטהראן — מהמשגרים המאיימים ביותר על יעדים אסטרטגיים ואזרחיים בישראל.
הפעולות המקדימות אפשרו את חופש הפעולה של חיל האוויר הישראלי, ושיבשו את יכולות התגובה והירי האיראניים. בשעה 2:59 בלילה קיבלו תושבי ישראל התרעות חריגות של פיקוד העורף על "היערכות לאיום משמעותי". בשעות הבאות התברר שיותר מ-200 מטוסי קרב של חיל האוויר תקפו מאות מטרות ברחבי איראן ובהם מקומות מסתור של דמויות מפתח. בתקיפות נהרגו עשרות בכירים איראנים, בהם מפקד משמרות המהפכה חוסיין סלאמי, הרמטכ"ל מוחמד באקרי, סגנו רולאם עלי רשיד, מדעני הגרעין הבכירים פריידון עבאסי ועבד אל-חמיד מינוצ'הר וכן נשיא אוניברסיטת אזאד האסלאמית, מוחמד מהדי טהראנצ'י.
המהלך הראשון בתקיפה היה נטרול מתקני גילוי והגנה אווירית בצפון איראן ובעיראק. רוב הגיחות בוצעו דרך נתיבים בסוריה, שהיו מסוכנים עד לא מזמן – לאחר שחיל האוויר השמיד את מערך הנ"מ של משטר אסד. לפי "ניו יורק טיימס", ישראל תקפה שישה מתקנים צבאיים באזור טהרן, ובהם כאמור בסיס פרצ'ין, וכן בנייני מגורים בשני מתחמים מאובטחים במיוחד שבהם מתגוררים בכירי צבא, ובתים נוספים באזור טהרן.
בדיווחים אחרים נכתב כי הותקפו גם יעדים בתבריז וגם באראק, אזור שבו יש כור מים כבדים, וכן בסיסי טילים ליד טהרן ובעיר כרמאנשאה. לפי בכיר ישראלי, לצד התקיפות הנרחבות של חיל האוויר הוביל המוסד סדרה של מבצעי סיכול חשאיים בלב איראן. לדבריו, מבצעים אלה נועדו לפגוע במערך הטילים האסטרטגי של איראן וביכולות ההגנה האוויריות שלה. ישראל גם פגעה במתחמי העשרת אורניום באיראן. בתיעודים מאזור נתנז, שם נמצאים מתקני ההעשרה העיקריים ואלפי צנטריפוגות, נראה עשן מיתמר.
שלוש שעות לאחר תחילת התקיפות מסר מנהיג איראן עלי חמינאי הודעה ראשונה ודווח כי בהוראתו "איראן נמצאת בכוננות מלחמה". חמינאי אמר כי "עם שחר המשטר הציוני פתח את ידו המלוכלכת והמדממת לפשע בארצנו האהובה וחשף את טבעו הרע יותר מתמיד על ידי פגיעה במרכזי מגורים. על המשטר לצפות לעונש חמור".
גורם ביטחוני ישראלי רשמי אמר לרשת "פוקס ניוז" כי ישראל הצליחה לחסל את הפיקוד הבכיר של חיל האוויר האיראני הודות לכך שגרמה לו בדרכי תחבולה להתכנס לישיבה במקום שהותקף. "ביצענו פעולות מסוימות כדי לעזור לנו ללמוד עליהם יותר, והשתמשנו במידע הזה כדי להשפיע על התנהגותם", אמר המקור, שנשאר בעילום שם. "ידענו שזה יוביל אותם להיפגש, אבל חשוב מזה – ידענו לגרום להם להישאר שם".
צה"ל הודיע כי חיסל את מפקד חיל האוויר של משמרות המהפכה, אמיר עלי חאג'יזאדה, ובכירים נוספים בחיל, בהם מפקד מפקדת הכטב"מים ומפקד מפקדת ההגנה האווירית. בצבא אמרו רשמית כי אגף המודיעין "זיהה שצמרת חיל האוויר של משמרות המהפכה מתכנסת במפקדה תת-קרקעית כדי להיערך לתקוף את מדינת ישראל", ואז מטוסי קרב ישראליים תקפו את המפקדה שבה היו.
בתוך כך, סוכנות הידיעות AP דיווחהמפי גורמים רשמיים כי ארה"ב מסיטה משאבים במזרח התיכון ממקומות מסוימים למקומות אחרים בתגובה למתקפה הישראלית וכהיערכות לתגובה אפשרית של איראן. הסטת המשאבים כוללת ספינות, וחיל הים האמריקאי הורה למשחתת תומאס הדנר להתחיל להפליג לעבר מזרח הים התיכון, ולמשחתת נוספת להתחיל לנוע קדימה כדי שאפשר יהיה להשתמש בה אם הבית הלבן יחליט על כך. גורמים רשמיים אמריקניים אחרים אמרו לרשת CNN כי המתקפה הישראלית העלתה את האפשרות שישראל מנסה להוביל להחלפת המשטר בטהרן, ואחד מהם ציין כי לפי הערכות מודיעין החלפת משטר כזו היא מטרה רחבה יותר של ממשלת ישראל זה זמן רב.
