Im Spätsommer oder Herbst des Jahres 79 gab es mehrere Tage lang Vorzeichen für den Ausbruch des Vesuvs, weshalb ein Teil der Einwohner Pompeji verließ. Ab der Sprengung des Pfropfens wurden binnen weniger Stunden in mehreren Eruptionswellen mehr als ein Kubikkilometer glühenden Magmas mit Überschallgeschwindigkeit in einer Eruptionssäule ausgestoßen, die bis weit in die Stratosphäre reichte.
Der explosive Vulkanausbruch schleuderte Vulkanasche, Lava und Gase mehrere Kilometer hoch. Mit dem Erreichen der Tropopause flachte sich die Wolke ab und wurde vom Wind in Richtung Pompeji getragen, wo es begann, Bimsstein zu regnen.
Im Bimssteinstaub befanden sich größere Stücke, die mit hoher Geschwindigkeit aufprallten und zahllose Dächer zum Einsturz brachten, Türen blockierten und die Bewohner der Stadt einschlossen.
Nun stieg gasreiches Tiefenmagma im Schlot empor, wurde durch heftige Explosionen zerstäubt und in steigernder Folge von starken Aschen-Eruptionen gefördert. Gleichzeitig verwandelte ein wolkenbruchartiger Eruptionsregen auf dem Westhang des Vulkans die Asche in Schlammströme.
Als sich der Vesuv nach seinem etwa achtzehnstündigen Ausbruch wieder beruhigt hatte, waren die meisten Menschen in Pompeji entweder vom Gestein erschlagen oder erstickt.
Dennoch hatten einige wenige die Katastrophe bis zu diesem Zeitpunkt überlebt. Diese fielen einer nun abgehenden Glutlawine zum Opfer.
Über 1500 Jahre lang lag Pompeji unter einer bis zu 25 Meter dicken Schicht aus vulkanischer Asche und Bimsstein.
In den letzten Jahren stellten sich viele Annahmen zu Pompeji durch die neuere Forschung als falsch heraus. So ist die oft verbreitete Aussage, mit Pompeji habe man eine repräsentative römische Stadt vor sich, die mitten im Leben „versiegelt“ wurde, nicht haltbar. Bereits ab römischer Zeit wurden Befunde durch Raubgrabungen verändert und Fundstücke entfernt. Das hat ebenso zur Verfälschung der Befunde beigetragen wie die Verteilung des Abraums der Ausgrabungen der ersten hundert Jahre auf dem Umland oder gar in den zuvor ausgegrabenen Häusern. Da man zunächst nur repräsentative Stücke suchte, finden sich Fundstücke an Orten, zu denen sie nicht originär gehören. Die Bewohner Pompejis wurden auch nicht plötzlich vom Ausbruch des Vesuvs überrascht. Der Ausbruch hatte sich über Tage angekündigt, und viele Pompejaner hatten die Stadt samt Familie und Habe verlassen. Schließlich war die Stadt nach dem Erdbeben von 62 n. Chr. noch nicht wieder aufgebaut. Untypische Befunde, etwa als Lagerräume genutzte Wohnräume, halbfertig wiederaufgebaute Gebäude oder Ruinen, zeugen von diesem Zustand.
