Eskalacija koja je dovela do NATO bombardovanja počela je intenziviranjem sukoba između srpskih snaga bezbednosti i OVK tokom 1998. godine. Prelomna tačka bio je događaj u selu Račak u januaru 1999. godine, koji je Vilijam Voker, šef misije OEBS-a, okarakterisao kao masakr nad civilima, dok je zvanični Beograd tvrdio da je reč o poginulim borcima OVK. Nakon toga, pod pritiskom međunarodne zajednice, organizovani su pregovori u dvorcu Rambuje kod Pariza; međutim, oni su propali jer je jugoslovenska delegacija odbila vojni Aneks B, koji bi NATO trupama omogućio slobodno kretanje kroz celu teritoriju SRJ, smatrajući to gubitkom suvereniteta. Pošto je Beograd odbio sporazum, a pregovori u Parizu definitivno završeni bez potpisa srpske strane, NATO je 24. marta 1999. godine pokrenuo operaciju „Milosrdni anđeo“ bez odobrenja Saveta bezbednosti UN.
Tokom bombardovanja, na teritoriji Srbije i Crne Gore pogođen je veliki broj vojnih i civilnih objekata. Pored kasarni i jedinica protivvazdušne odbrane, gađani su mostovi, putevi i železničke pruge, fabrike, rafinerije, elektroenergetski objekti, kao i zdravstvene ustanove, škole, medijske kuće i ambasade. Među pogođenim objektima bili su i verski i kulturni spomenici, uključujući crkve, manastire i spomenike kulture.
Prema podacima Ministarstva odbrane Republike Srbije, tokom bombardovanja poginuo je 1.031 pripadnik Vojske i policije, kao i oko 2.500 civila, među kojima 89 dece, dok je ranjeno oko 6.000 osoba. Ukupno je uništeno i oštećeno oko 25.000 stambenih objekata, onesposobljeno 470 kilometara puteva i 595 kilometara železničkih pruga. Oštećeno je 14 aerodroma, 19 bolnica, 20 domova zdravlja, 18 dečjih vrtića, 69 škola, 176 spomenika kulture i 44 mosta, dok je 38 mostova u potpunosti razoreno.
Jedan od najkontroverznijih događaja tokom bombardovanja bio je napad na zgradu Radio-televizije Srbije u Beogradu, u noći između 22. i 23. aprila, kada je poginulo 16 zaposlenih. Taj napad izazvao je reakcije u domaćoj i međunarodnoj javnosti, posebno u vezi sa pitanjem statusa medijskih kuća kao vojnih ciljeva.
Tokom vojne operacije izvršeno je oko 2.300 vazdušnih udara na 995 objekata širom zemlje. U napadima je učestvovalo više od hiljadu borbenih aviona, a upotrebljene su krstareće rakete, kasetne bombe i municija sa osiromašenim uranijumom, što je kasnije bilo predmet brojnih rasprava zbog mogućih posledica po zdravlje ljudi i životnu sredinu. Zabeležena je i upotreba grafitnih bombi, kojima je onesposobljavan elektroenergetski sistem.
Bombardovanje je okončano nakon potpisivanja Vojnotehničkog sporazuma u Kumanovu, 9. juna 1999. godine, a narednog dana izdata je naredba o prekidu napada. Istog dana Savet bezbednosti Ujedinjenih nacija usvojio je Rezoluciju 1244, nakon čega su na Kosovo raspoređene međunarodne snage sa zadatkom očuvanja mira i bezbednosti.
