В 12.15, когда основная часть экипажа обедала, в помещении носовых дизель-генераторов произошло короткое замыкание на распределительном щите. Личного состава в отсеке не было, и огонь быстро распространился на соседний кубрик № 3. Поскольку переборки на крейсере, за исключением водонепроницаемых, изготавливались из алюминиево-магниевого сплава, они мгновенно прогорали, и пожар охватывал всё новые помещения. Очень быстро пламя добралось до энергоотсека № 1, где работали вспомогательный котёл и турбогенератор — корабль обесточился.

Ситуацию усугубляло то, что автономная система пожаротушения в горящих отсеках была неисправна, пожарная магистраль без электричества не работала, а запустить кормовой дизель-генератор из-за поломки масляной системы не удалось. Командование корабля обратилось к оперативному дежурному базы за срочной помощью. Примерно через час после начала пожара к борту крейсера начали подходить пожарные катера, буксиры, спасательные суда “Казбек”, “Бештау”, СС Спасательное судно-21 и другие; на борт "Москвы" высадились 16 аварийно-спасательных групп. Поскольку очаг пожара все разрастался, во избежание взрыва боезапаса пришлось сначала затопить погреба 57-мм снарядов, систем постановки помех, а затем и погреба ЗРК Зенитно-ракетного комплекса "Шторм". Огонь заливали из шлангов через люки верхней палубы, поэтому вскоре возникла новая угроза: на палубах выше ватерлинии скопилось много воды, что создало угрозу опрокидывания корабля. По приказу прибывшего на борт аварийного крейсера вице-адмирала В.А.Самойлова воду с палуб начали немедленно перепускать в трюм, а тушение огня продолжать только пеной.

    Локализовать пожар удалось лишь к 17.10, а полностью огонь был потушен в 19.15 —через 7 часов после возгорания. Три члена экипажа “Москвы” — мичман Д.Н.Ткач, матросы Лукашев и Титов — погибли от угарного газа. Еще 26 человек получили отравления (в том числе 11 — тяжелые), но остались живы.