Массовые расстрелы и захоронения на Бутовском полигоне начались 8 августа 1937 года. На Бутовский полигон для расстрела отправляли заключенных из Таганской, Бутырской и Сретенской тюрем. Иногда на территорию полигона привозили тела расстрелянных непосредственно для захоронения.
Примерно до августа 1937 года расстрелянных хоронили в небольших отдельных ямах-могильниках, но по мере увеличения нагрузки подготовка мест для погребения производилась уже с использованием экскаватора. С его помощью предварительно рылись громадные рвы с целью дальнейшего оборудования «братских» могил.
Подавляющее большинство расстрелянных были беспартийными, примерно половина имели низшее образование. В основном здесь покоятся останки простых рабочих, служащих советских учреждений, крестьян, представителей духовенства. За годы террора на территории Бутовского полигона было захоронено более 20000 человек, из них 19 904 человека составляют мужчины, 858 — женщины. Также имеющиеся данные свидетельствуют о том, что 11 300 расстрелянных являлись жителями Москвы и Московской области, остальные — из различных регионов СССР, а также других государств: Германии, Польши, Франции, США, Австрии, Венгрии, Румынии, Италии, Югославии, Чехословакии, Турции, Японии, Индии, Китая и др.
По имеющимся сейчас сведениям, за годы советской власти на Бутовском полигоне было расстреляно 69 несовершеннолетних, самым младшим из которых был Миша Шамонин, на момент расстрела ему было всего 14 лет. Самым старшим по возрасту из расстрелянных на Бутовском полигоне был 82-х летний старец Серафим (Чичагов). Ходить он уже не мог, его переносили на носилках.
Расстрелянные дети могли быть как попавшимися на краже пары буханок хлеба беспризорниками или уголовниками, имевшими за плечами богатую историю краж и побегов, так и бывшими заключенными московской Сретенской тюрьмы, осужденными к высшей мере наказания за контрреволюционную агитацию или контрреволюционную деятельность — например, за наколку портрета Сталина на левой ноге. Всех их постигла одна и та же участь.
Осужденных на расстрел привозили из московских тюрем в машинах с надписью «ХЛЕБ». На полигоне их размещали в длинном бараке, где проводилась перекличка и сверка людей с доставленными из тюрем документами. И только после этого им объявляли смертный приговор. Расстрел начинался после восхода солнца выстрелом в затылок из пистолета.
Известно, что возглавлявший группу расстрельщиков, приводивших в исполнение решения «тройки» УНКВД Московской области в 1937—1938 годах, И.Д. Берг прославился тем, что в 1936 году в московском НКВД "запатентовал" машину-«душегубку», в которой приговоренные умерщвлялись выхлопным газом. Сам Берг пояснял, что без такого усовершенствования «невозможно было исполнить столь большое количество расстрелов».
На Бутовском полигоне он занимался исполнением смертных приговоров, выносимых «тройками» НКВД СССР. Так как приходилось ликвидировать слишком много "врагов народа", то внёс рационализаторское предложение — в кузов машины, внешне напоминавшие хлебные фургоны, выводилось отверстие выхлопной трубы, и находившиеся там отравлялись продуктами сгорания. В случае, если жертвы не умирали от удушья, то они находились в полубессознательном состоянии, что облегчало их ликвидацию.
Недалеко от Бутовского полигона находятся два других бывших специальных объекта: полигон Коммунарка (бывшая личная дача Генриха Ягоды, впоследствии — место массовых казней и захоронения репрессированных), и Сухановская особорежимная тюрьма.
В 1942–43 годах Бутовский полигон из ведения Московского управления НКВД перешел в ведение Центра. Сама Бутовская сельскохозяйственная колония НКВД продолжала действовать в годы ВОВ, и вскоре здесь были обустроены лагеря для военнопленных. Неподалеку от самого полигона были построены бараки для них. Заключенные работали на Бутовском кирпичном заводе и на строительстве Симферопольского шоссе.
Территория Бутовского полигона находилась в ведении службы госбезопасности вплоть до 1995 года, после чего была передана РПЦ. В 2006 году на полигоне произведена рекультивация земли, кроме того, были установлены точные границы каждого погребального рва. Всего обнаружено 13 рвов, общая протяжённость которых составляла 900 метров. Ширина каждого рва была 4—5 метров, а глубина около 4 метров.
Данные о числе расстрелянных на Бутовском полигоне за 1937 год (20762 человека):
Всего в августе 1937 года было расстреляно 1294 человека.
8 августа 1937 года — 91 человек;
9 августа 1937 года — 115 человек;
11 августа 1937 года — 4 человека;
15 августа 1937 года — 194 человека;
17 августа 1937 года — 136 человек;
20 августа 1937 года — 135 человек;
21 августа 1937 года — 87 человек;
23 августа 1937 года — 202 человека;
28 августа 1937 года — 170 человек;
30 августа 1937 года — 160 человек, список.
Всего в сентябре 1937 года было расстреляно 3167 человек.
2 сентября 1937 года — 111 человек;
3 сентября 1937 года — 146 человек, список;
4 сентября 1937 года — 205 человек;
5 сентября 1937 года — 280 человек;
8 сентября 1937 года — 126 человек;
9 сентября 1937 года — 343 человека;
10 сентября 1937 года — 82 человека;
14 сентября 1937 года — 164 человека;
16 сентября 1937 года — 221 человек;
17 сентября 1937 года — 118 человек;
21 сентября 1937 года — 431 человек;
22 сентября 1937 года — 8 человек;
23 сентября 1937 года — 368 человек;
26 сентября 1937 года — 293 человека;
27 сентября 1937 года — 271 человек.
Всего в октябре 1937 года было расстреляно 2045 человек.
3 октября 1937 года — 236 человек;
5 октября 1937 года — 164 человека;
8 октября 1937 года — 172 человека;
9 октября 1937 года — 144 человека;
10 октября 1937 года — 1 человек;
11 октября 1937 года — 61 человек;
13 октября 1937 года — 147 человек;
14 октября 1937 года — 111 человек;
17 октября 1937 года — 129 человек;
21 октября 1937 года — 347 человек;
25 октября 1937 года — 250 человек;
31 октября 1937 года — 283 человека.
Всего в ноябре 1937 года было расстреляно 1743 человека.
3 ноября 1937 года — 229 человек;
5 ноября 1937 года — 123 человека;
13 ноября 1937 года — 184 человека;
15 ноября 1937 года — 2 человека;
16 ноября 1937 года — 356 человек;
19 ноября 1937 года — 189 человек;
21 ноября 1937 года — 276 человек;
25 ноября 1937 года — 224 человека;
27 ноября 1937 года — 160 человек.
Всего в декабре 1937 года было расстреляно 2374 человека.
2 декабря 1937 года — 210 человек;
3 декабря 1937 года — 133 человека;
4 декабря 1937 года — 311 человек;
8 декабря 1937 года — 473 человека;
9 декабря 1937 года — 158 человек;
10 декабря 1937 года — 243 человека;
11 декабря 1937 года — 127 человек;
15 декабря 1937 года — 137 человек;
19 декабря 1937 года — 154 человека;
22 декабря 1937 года — 62 человека;
25 декабря 1937 года — 120 человек;
29 декабря 1937 года — 246 человек;
Всего в январе 1938 года было расстреляно 544 человека.
2 января 1938 года — 132 человека, список;
8 января 1938 года — 35 человек;
19 января 1938 года — 66 человек;
31 января 1938 года — 311 человек.
Всего в феврале 1938 года было расстреляно 2327 человек.
3 февраля 1938 года — 259 человек;
5 февраля 1938 года — 247 человек, список;
17 февраля 1938 года — 502 человека, список;
21 февраля 1938 года — 370 человек, список;
26 февраля 1938 года — 387 человек;
28 февраля 1938 года — 562 человека.
Всего в марте 1938 года было расстреляно 2339 человек.
7 марта 1938 года — 312 человека, список;
8 марта 1938 года — 367 человек, список;
10 марта 1938 года — 199 человек;
14 марта 1938 года — 356 человек;
16 марта 1938 года — 321 человек;
20 марта 1938 года — 232 человека;
22 марта 1938 года — 325 человек;
25 марта 1938 года — 227 человек.
Всего в апреле 1938 года было расстреляно 879 человек.
5 апреля 1938 года — 274 человека;
7 апреля 1938 года — 253 человека;
11 апреля 1938 года — 208 человек;
14 апреля 1938 года — 67 человек;
27 апреля 1938 года — 77 человек.
Всего в мае 1938 года было расстреляно 1345 человек.
16 мая 1938 года — 154 человека;
17 мая 1938 года — 172 человека;
26 мая 1938 года — 217 человек;
27 мая 1938 года — 159 человек;
28 мая 1938 года — 232 человека;
29 мая 1938 года — 261 человек;
31 мая 1938 года — 150 человек.
Всего в июне 1938 года было расстреляно 1168 человек.
2 июня 1938 года — 1 человек;
3 июня 1938 года — 115 человек;
4 июня 1938 года — 136 человек;
7 июня 1938 года — 113 человека;
10 июня 1938 года — 123 человека список;
14 июня 1938 года — 118 человек, список;
16 июня 1938 года — 105 человек, список;
20 июня 1938 года — 160 человек, список;
23 июня 1938 года — 155 человек, список;
27 июня 1938 года — 142 человека, список.
Всего в июле 1938 года было расстреляно 513 человек.
1 июля 1938 года — 162 человека;
4 июля 1938 года — 161 человек;
10 июля 1938 года — 120 человек;
26 июля 1938 года — 70 человек.
Всего в августе 1938 года было расстреляно 780 человек.
3 августа 1938 года — 120 человек;
9 августа 1938 года — 122 человека;
10 августа 1938 года — 114 человека;
13 августа 1938 года — 117 человек;
16 августа 1938 года — 123 человека;
20 августа 1938 года — 116 человек;
27 августа 1938 года — 68 человек.
Всего в сентябре 1938 года было расстреляно 118 человек.
10 сентября 1938 года — 117 человек;
26 сентября 1938 года — 1 человек.
Всего в октябре 1938 года было расстреляно 126 человек.
2 октября 1938 года — 74 человека;
19 октября 1938 года — 52 человека.