Il 18 ottobre 1945, a conclusione della fase istruttoria, il pubblico ministero incriminò formalmente 24 persone con l'accusa di aver commesso crimini e atrocità, fra cui l'istigazione alla guerra d'aggressione, lo sterminio di gruppi razziali e religiosi, l'assassinio e il maltrattamento di prigionieri di guerra e la deportazione in campi di lavoro forzato di centinaia di migliaia di cittadini dei paesi occupati dalla Germania durante la guerra.
Tra gli imputati vi erano Hermann Wilhelm Göring e Rudolf Hess, capi del Partito nazista, il diplomatico Joachim von Ribbentrop, il fabbricante di armi Gustav Krupp, il maresciallo Wilhelm Keitel, l'ammiraglio Erich Raeder, e altre 18 persone tra militari e civili. Furono inoltre messi sotto accusa sette organismi che formavano la struttura militare del governo nazista, fra cui le SS, la Gestapo, le SA, lo stato maggiore e il comando supremo delle forze armate.
Il processo cominciò il 20 novembre 1945 e si basò in gran parte su prove schiaccianti, costituite da documenti militari e diplomatici caduti nelle mani delle forze alleate dopo il crollo del governo tedesco, che dimostravano in modo incontrovertibile l'entità delle violenze e delle brutalità compiute. Più di sei milioni di persone erano state deportate nei campi di concentramento, dove furono sterminati ebrei, rom, disabili, omosessuali, oppositori politici, religiosi, uccisi dai trattamenti disumani cui erano sottoposti o nelle camere a gas. Il tribunale scoprì e dimostrò inoltre che tali atrocità erano state commesse su larga scala e in base a un preciso programma chiamato "soluzione finale".
Letta agli inizi di ottobre del 1946, la sentenza riconobbe, in sintonia con l'accordo di Londra, il principio secondo il quale progettare una guerra d'aggressione costituisce un crimine internazionale e rigettò invece le tesi della difesa. Questa aveva sostenuto che i capi nazisti non potevano essere giudicati per fatti che nel momento in cui venivano commessi non erano considerati crimini internazionali e che quindi perseguirli avrebbe significato violare il principio di non retroattività di una legge (che proibisce di condannare qualcuno per un fatto commesso prima che la legge lo ritenesse reato). Fu inoltre respinta la tesi della difesa secondo cui gli imputati non erano responsabili dei reati commessi, in quanto erano stati dei semplici esecutori di ordini superiori; per il tribunale gli imputati avrebbero invece potuto compiere una scelta morale e non eseguire gli ordini.
Il Partito nazionalsocialista, le SS, lo SD (Sicherheitsdienst, "servizio di sicurezza") e la Gestapo furono dichiarati organizzazioni criminali. Dodici imputati furono condannati a morte per impiccagione, sette furono condannati a pene detentive (da dieci anni all'ergastolo), tre infine – inclusi l'uomo politico e diplomatico tedesco Franz von Papen e il presidente della banca centrale tedesca Horace Greely Hjalmar Schacht – furono invece assolti. Le esecuzioni capitali furono effettuate il 16 ottobre 1946; Göring si suicidò in prigione poche ore prima di essere giustiziato.