Всего на Бутовском полигоне с 8 августа 1937 по 19 октября 1938 здесь были расстреляны 20762 человека. Изучение архивно-следственных дел в процессе подготовки Книг Памяти «Бутовский полигон» показало, что подавляюще большинство расстрелянных были осуждены по упрощенной процедуре судебного разбирательства, так называемыми «тройками», в Москве и Московской области, а также в прилегающих районах смежных областей РСФСР. Эти казни происходили в рамках компании по уничтожению «кулацкого элемента», проводившейся согласно оперативному приказу Н. Ежова 00447 от 30 июля 1937 г. Однако среди расстрелянных в Бутово есть и жители других регионов СССР и иностранцы. Здесь было расстреляно много представителей национальных диаспор: немцев, монголов, поляков, латышей, украинцев, имеются уроженцы США и Аргентины, индусы, афганцы и многие другие, проходившие по делам «националов». Они были осуждены "двойкой" (Комиссий Генерального Прокурора и НКВД СССР) в рамках массовых операций по "национальной линии".

Самые многочисленные расстрелы в Бутове пришлись на декабрь 1937 и на февраль 1938 г.: 8 декабря было расстреляно 474 человека, 17 февраля – 502 и 28 февраля – 562 человека.

Сама процедура казни на сегодняшний день может быть реконструирована следующим образом. Машины, автозаки, в которых помещалось до пятидесяти человек,  из московских тюрем поздно ночью подъезжали к полигону со стороны леса. Зона расстрелов была огорожена колючей проволокой. Там, где останавливались машины, находились вышка для охраны и прожектора, закрепленные на деревьях. Неподалеку находились два строения: небольшой каменный дом и деревянный барак. Людей заводили в барак якобы для «санобработки». Непосредственно перед расстрелом объявляли решение, тщательно сверяли данные. Эта процедура продолжалась порой в течение многих часов. Приговоренных выводили небольшими партиями из помещения барака. Стреляли на краю рва, в затылок, в упор. Заранее экскаватором были вырыты громадные рвы, длиной в сотни метров, шириной в три - пять и глубиной в три с половиной метра. Тела казненных сбрасывали в ров, устилая ими дно глубокой траншеи. Позднее рвы нивелировались с землей. На основании археологических исследований 1997 г. и 2001 гг. и дополнительных археологических изысканий 2002 - 2003 гг., были локализованы места захоронений  и разработан проект благоустройства захоронений. Всего таким образом было выявлено 13 погребальных рвов, общей протяженностью около 940 метров. Согласно проекту благоустройства массовые захоронения были обозначены насыпями по контуру погребальных рвов высотой 45 см с последующим устройством на них партерного газона. Именно характерный вид погребальных насыпей, созданных в 2005-2006 гг. формирует на сегодняшний день визуальный образ Бутовского полигона.