Las tres primeras explosiones se produjeron en el andén número 2 de la estación de Atocha, donde reventaron los dos últimos vagones del convoy que acababa de parar en el andén; unos 500 metros más atrás, en la misma línea, otro vagón del segundo tren que había rebasado la estación de Méndez Álvaro saltaba por los aires como consecuencia de la explosión de cuatro artefactos; en la estación de Pozo del Tío Raimundo, dos vagones quedaban destrozados y en la de Santa Eugenia, otro más. El resultado de estas 10 explosiones fue catastrófico.
Decenas de personas resultaron muertas en el acto y sus cadáveres quedaron atrapados en un amasiijo de hierros, en tanto que centenares de personas resultaban heridas, algunas de ellas muy graves. El caos se apoderó de los escenarios de la tragedia y la ciudad quedó sobrecogida por las noticias, que empeoraban por momentos. El silencio en el centro de la capital sólo se vio alterado por las sirenas de las ambulacias que trasladaban a los heridos a los hospitales, donde todo el personal se volcó en su atención. Por su proximidad con el lugar de los hechos, al hospital Gregorio Marañón fueron trasladados más de 200 heridos.
Los servicios de emergencias, en un primer momento, se vieron desconcertados, ya que los avisos se sucedían. La actuación de los propios viajeros que se encontraban en condiciones permitió sacar a muchos heridos de los vagones. Los heridos del convoy que se encontraba a 500 metros de la estación de Atocha, cerca de la calle Téllez, fueron llevados por viajeros y vecinos de la zona hasta el polideportivo Daoiz y Velarde, muy próximo al lugar del atentado. Los de la estación de El Pozo, a un instituto.
Los de Atocha fueron atendidos en un hospital de campaña. La labor de rescate de los fallecidos y los heridos se hizo especialmente difícil ante el temor, confirmado por los TEDAX, de que quedaban mochilas sin estallar, lo que obligaba a desalojar los vagones cada vez que se producía una voz de alarma ante un bulto sospechoso. Dos de las tres mochilas cargadas de explosivos y que no llegaron a explotar por fallos en los temporizadores, fueron explosionadas tras su hallazgo por artificieros de la Policía Nacional. La tercera, llevada a una comisaría de Policía en la creencia de que eran efectos personales de un herido o un muerto, permitió abrir una línea de investigación gracias al teléfono móvil utilizado como temporizador que llevaría a la cédula islamista.
Varias unidades móviles fueron distribuidas por la ciudad y allí, cientos de personas acudieron para donar sangre. Mientras tanto se hizo evidente que, debido al elevado número de fallecidos, el Instituto Anatómico Forense no podía albergar a las víctimas mortales para su identificación, por lo que se decidió habilitar el pabellón número 6 de IFEMA para trasladar allí todos los cuerpos.
Allí trasladaron directamente desde las estaciones de Atocha, El Pozo y Santa Eugenia a las decenas de víctimas mortales, que llegaban en auténticas caravanas de coches y furgones fúnebres ecoltados por la Policía. El pabellón 6 se convirtió así en un depósito de cadáveres donde médicos forenses y psicólogos se brindaban, fuera de sus horarios de trabajo, a colaborar en la identificación y en el apoyo a los afectados. Algunos familiares de las víctimas sin información sobre sus seres queridos peregrinaron por hospitales, centros de salud y los recintos feriales en su busca, e incluso los taxistas de la ciudad se volcaron con los afectados haciendo gratis los traslados. En los hospitales se dio el alta a todos los enfermos posibles para dejar espacio a los heridos que llegaban desde los focos de los atentados.
Debido a los daños sufridos y al caos reinante, Renfe, poco después de las once de la mañana, decidió el cierre de las estaciones de Atocha y Chamartín e interrumpió todas las líneas con destino a ambas. Entre tanto, Madrid vivía una situación caótica, con la línea 1 de Metro interrumpida y con paros intermitentes en otras líneas, con el tráfico congestionado por los cientos de ambulancias que cruzaban Madrid y con graves problemas de telefonía móvil como consecuencia de las miles de llamadas efectuadas desde teléfonos fijos y móviles de cuantos querían saber si alguno de sus seres queridos podía haber resultado afectado por la mayor tragedia sufrida por esta ciudad desde la Guerra Civil.