Il pleut à verse ce 13 octobre 1917. Près de 70 000 personnes, citoyens ordinaires mais aussi nobles, ingénieurs, médecins, notaires, journalistes et photographes, provenant de toutes les régions du Portugal, se rassemblent à la « Cova da Iria » (près de Fatima). La nouvelle de l’apparition de la « Dame » et du miracle qu’elle a promis d’accomplir circule en effet depuis plusieurs semaines.
François, Jacinthe et Lucie sont là, accompagnés de leurs familles, et commencent à réciter le chapelet. A midi, la pluie ne cesse de tomber mais Lucie ordonne de fermer les parapluies et la foule obéit. Peu après, la Vierge apparaît, plus lumineuse encore que les fois précédentes. Sa demande est simple : « Tous doivent se convertir, demander pardon pour leurs péchés et ne plus blesser Notre Seigneur ». Après ces paroles, elle ouvre ses mains qui se reflètent sur le soleil. À ce moment, pendant que Lucie crie : « Regardez le soleil », le miracle se produit, visible à plus de 40 kilomètres à la ronde : les épais nuages se dispersent et le soleil commence à tournoyer, à changer de couleur, à danser dans le ciel puis à s’approcher progressivement de la terre.
Le docteur Almeida Garrett donnera son témoignage :
« Soudain, j’entendis la clameur de centaines de voix, et je vis toute cette multitude s’étendre à mes pieds, tourner le dos à l’endroit vers lequel, jusque-là, convergeaient toute leur impatience, et regarder le soleil du côté opposé… Je me tournai à mon tour vers ce point qui attirait tous les regards, et je pus voir le soleil apparaître comme un disque au bord net, à l’arête vive, qui luisait sans blesser la vue… Il ne pouvait se confondre avec le soleil vu à travers le brouillard – il n’y en avait d’ailleurs pas à ce moment – car il n’était ni voilé, ni brouillé. À Fatima, il conservait sa lumière et sa chaleur, et se dessinait nettement dans le ciel, avec ses arêtes vives, comme une large table de jeu… Le plus étonnant est d’avoir pu fixer aussi longtemps le disque solaire étincelant de lumière et de chaleur, sans avoir mal aux yeux et sans abîmer leur rétine. On entendit une clameur, le grand cri d’angoisse de la foule. En effet, le soleil, conservant son mouvement rapide de rotation, sembla pouvoir se détacher du firmament, et, rouge sang, avancer vers la Terre, menaçant de nous détruire sous son poids énorme. Ce furent des secondes terrifiantes. »
Dans sa lettre pastorale sur le culte à Notre-Dame de Fatima, l’évêque de Leiria écrira : « Le phénomène solaire du 13 octobre 1917 fut encore plus merveilleux et laissa une impression indélébile chez ceux qui eurent le bonheur d’y assister. Il a été constaté par des personnes de toutes les classes sociales, des croyants, des non-croyants, des journalistes des principaux journaux portugais et des personnes qui se trouvaient à plusieurs kilomètres ».