Nach der Analyse abgelagerter vulkanischer Schichten, der so genannten Tephra-Chronologie, lässt sich der Ablauf des Ausbruchs von 79 rekonstruieren und mit den Beobachtungen der berühmten Briefe von Plinius d. J., dem ersten überlieferten Augenzeugenbericht eines Vulkanausbruchs, in Übereinstimmung bringen.

Die Katastrophe kündigte sich Tage zuvor durch eine Serie von Erdbeben an, am Golf von Neapel zunächst nichts ungewöhnliches. Am Morgen des 24. August begann der Ausbruch mit einer Reihe kleinerer Explosionen. Gegen Mittag erfolgte dann jene gewaltige Explosion, deren 30 km hohe Eruptionssäule in Form einer Pinie Plinius aus dem 30 km entfernten Misenum beobachten konnte. Hochexplosive Eruptionen, bei denen große Mengen an Lockermaterial in die Atmosphäre geschleudert werden, bezeichnen Vulkanologen heute als plinianisch. Stundenlang schossen Bimssteine und heiße Aschen in den Himmel und fielen auf die Landschaft südöstlich des Vesuvs herab. In Pompeji war der Asche- und Bimssteinregen besonders heftig, der Tag wurde zur Nacht. Das mag ein Grund gewesen sein, warum nicht alle Bewohner flüchteten, sondern in den Häusern Zuflucht suchten. Nach einigen Stunden begannen die Dächer der Häuser unter dem Gewicht des Lockermaterials einzustürzen. Nach zwölf Stunden ununterbrochener plinianischer Aktivität bedeckte bereits eine 2½ Meter dicke Schicht die Trümmer von Pompeji. Dann änderte sich das Ausbruchsverhalten. Die Bewohner von Herculaneum hatten sich bislang in trügerischer Sicherheit wiegen können, da der Aschefall der Hauptwindrichtung folgte, also weg von der Stadt. Am frühen Morgen des 25. August brach die Eruptionssäule in sich zusammen, und 800°C heiße Glutwolken rasten, von Schlammströmen gefolgt, die Vesuvhänge hinab und erreichten Herkulaneum innerhalb weniger Minuten. Hunderte Menschen hatten sich am Strand versammelt, an eine Flucht mit Schiffen war jedoch nicht zu denken, da der starken Thermik wegen Wind und Wellen gegen das Land drängten. Als die Menschen die Glutwolke auf ihre Stadt zurasen sahen, flüchteten sie in die nahen Bootshäuser. Hier erreichte und tötete sie die Glutwolke. Die Stadt wurde kurz darauf von einem mächtigen pyroklastischen Strom verschluckt. Gegen 7.30 Uhr des gleichen Tages erreichte auch Pompeji eine Glutwolke, der geschätzt etwa 2000 Menschen zum Opfer fielen. Die vom plötzlichen Tod überraschten Menschen und Tiere deckte die Asche zu.

Achtzehn Jahrhunderte später entwickelte der Archäologe Fiorelli die geniale Methode, die von den Leichen hinterlassenen Hohlräume mit Gips auszugießen. In aller Deutlichkeit traten die Körper im Augenblick ihres Todes wieder zu Tage. Ausläufer der letzten und größten Glutwolke erreichten am 25. August gegen acht Uhr früh Stabiae, wo sich Plinius d. Ä. aufhielt. Sein Erstickungstod wurde vermutlich von der feinen Asche, den Gasen und der Hitze verursacht. Drei Tage nach der ersten Eruption ließ der Aschefall nach, und das Tageslicht kehrte schüchtern zurück. Über 300 km² fruchtbares Land waren in eine Wüste verwandelt worden, ehemals blühende Städte lagen unter Asche und Bimsstein begraben.