У каждого из них были свои резоны способствовать перевороту. Так, Николай Панин рассчитывал, что Екатерина станет лишь регентшей до совершеннолетия его воспитанника Павла. Братья Орловы надеялись, что возведение на трон Екатерины возвысит их, а может быть, даже приведет к ее браку с Григорием. Юная и романтически настроенная Дашкова просто сочувствовала обиженной и униженной мужем императрице, а Разумовский, как утверждала впоследствии сама Екатерина, был в нее слегка влюблен.

Вокруг Петра III быстро сгущалась атмосфера заговора, что ощущал даже его ближайший друг король Фридрих, настоятельно рекомендовавший ему принять меры безопасности Но Петр отвечал королю: «Если б русские хотели сделать зло, то могли бы уже давно его сделать, видя, что я не принимаю никаких предосторожностей. Могу вас уверить, что, когда умеешь обходиться с ними, то можно быть покойным на их счет».

План братьев Орловых заключался в том, чтобы по испытанному образцу петербургских дворцовых революций захватить императора в его покоях, объявить его низложенным и тем самым ограничить событие пределами императорского дворца. Этот план не был исполнен, поскольку Петр III неожиданно покинул Петербург и отправился в летнюю резиденцию Ораниенбаум на Финском заливе, примерно в 40 километрах от города. Из-за этого выступление против императора было перенесено из стен дворца в гвардейские казармы и на улицы Петербурга.

Срок переворота невольно определил сам Петр III, отдав гвардии приказ готовиться к выступлению в поход против Дании. Кроме того, приходилось считаться с возможностью ареста Екатерины и заключения ее в монастырь.

12 июня император отправился в Ораниенбаум, оставив жену и сына в столице. 17 июня Екатерина также покинула Петербург и прибыла в Петергоф, поручив Павла заботам воспитателя Николая Панина. 19 июня императрица посетила мужа в Ораниенбауме, где присутствовала на театральном представлении, во время которого Петр играл на скрипке. Затем она вернулась в Петергоф.

В ночь на 28 июня Екатерина была разбужена Алексеем Орловым, братом ее любовника, сообщившим, что необходимо действовать немедленно, поскольку арестован один из заговорщиков, гвардейский офицер Петр Пассек. Орлов произнес исторические слова: «Пора вставать, все готово, чтобы провозгласить вас1»

Чуть раньше Федор Орлов сообщил Кириллу Разумовскому, что брат Алексей собирается ехать за Екатериной в Петергоф, чтобы доставить ее в Измайловский полк, где много расположенных к императрице офицеров. Разумовский как президент Академии наук тут же распорядился привести академическую типографию в полную готовность, чтобы начать печатать манифест о восшествии на престол императрицы Екатерины II. Поскольку Екатерина не хотела довольствоваться ролью регентши при своем сыне, в манифесте, опережая события, говорилось, что ее верноподданные уже принесли ей клятву верности как «императрице и самодержице всея Руси».

Из Петергофа Екатерина помчалась в Петербург с такой скоростью, что по дороге пришлось менять загнанных лошадей. В столице ее встретил Григорий Орлов и доставил прямо в казармы Измайловского гвардейского полка.

У слободы Измайловского полка коляску окружили гвардейцы, оглушительно крича здравицы «матушке». Тут же священник привел солдат и офицеров к присяге, и во главе с графом Разумовским измайловцы двинулись вслед за коляской к казармам Семеновского полка. Вскоре к ним присоединились пре-ображенцы.

При выезде на Невский проспект императрицу приветствовала в полном составе Конная гвардия с развернутым знаменем Народ встречал ее радостными криками: кабатчикам было велено отпускать выпивку бесплатно. Город был охвачен всеобщим ликованием, и лишь несколько офицеров остались верны присяге Петру III. Они были арестованы, но с благополучным завершением переворота освобождены и по большей части продолжили службу новой государыне.

В 9 часов утра Екатерина в сопровождении группы офицеров прибыла в переполненный Казанский собор. Высшее руководство последовало примеру полкового клира, и под звон колоколов церковь благословила вновь провозглашенную императрицу как самодержицу Екатерину II. Затем собравшиеся в Зимнем дворце высшие сановники империи, члены Сената и Святейшего синода, придворные чины и генералы принесли присягу императрице.

Уже к 10 часам утра церемония восшествия Екатерины на престол завершилась. Тотчас же весть о смене правления и приказ о возвращении были посланы вдогон трех полков, уже выступивших в поход на Данию. Гонцов отправили также в Кронштадт, Ливонию и Померанию, где находились значительные воинские соединения, к помощи которых мог попытаться прибегнуть Петр.

Весьма вероятно, что многие подданные Екатерины, принося ей присягу, считали, что ее супруга нет в живых. «Повсюду уже распускали слух, будто император накануне вечером упал с лошади и ударился грудью об острый камень, после чего в ту же секунду скончался»,  сообщал советник датского посольства Шумахер.

В объявленном манифесте о нем не было ни слова. Екатерина лишь заявила в весьма туманной формулировке, что «Мы были вынуждены, в конце концов, прибегнуть к Господу и его справедливости и, исполняя общее и нелицемерное желание всех подданных, взойти на Наш верховный русский императорский трон».

А чем же занимался в это время Петр III? Утром император прибыл в Петергоф, где намечалось праздновать его именины. Но Екатерины там не оказалось. Петр вернулся в Ораниенбаум и стал одного за другим направлять вельмож в Петербург выяснить, что происходит. Посланцы уезжали и не возвращались. Узнав о перевороте, большинство из них сразу же принесло присягу Екатерине. Лишь во второй половине дня Петр III узнал о перевороте в Петербурге. В его свите находились канцлер Воронцов, вице-канцлер Голицын, фельдмаршал Миних, прусский посланник барон фон дер Гольц.

Когда принялись обсуждать ответные меры, один из советников предложил императору немедленно отправляться в Петербург, выступить перед войсками и перед народом и настаивать на своих неоспоримых правах. Однако Петр III не решился на этот рискованный шаг.

Император направил указ в Кронштадт, чтобы немедленно прислали в Петергоф три тысячи солдат; такой же указ получили и негвардейские полки, стоявшие в столице, Астраханский и Ингерманландский. Им он приказал срочно маршировать в Ораниенбаум. В случае успеха замысла Петра и его окружения поход Екатерины с веселыми гвардейцами мог бы закончиться не так триумфально.

Однако Петр упустил время, и когда он сел на галеру и подошел к кронштадтской гавани, вход в нее был уже перекрыт бонами, а караульный мичман Михаил Кожухов в ответ на приказ императора пропустить его в гавань прокричал, что теперь уже нет Петра III, а есть только Екатерина П. Это означало, что эмиссары Екатерины поспели в Кронштадт раньше, чем люди императора. Выход в открытое море также был перекрыт вооруженным кораблем.

После безуспешной попытки найти защиту в крепости Кронштадт Петр отказался даже от бегства через Лифляндию в Пруссию. В полуобморочном состоянии и, как передают, почти неспособный говорить, он возвратился в Ораниенбаум.

Между тем Екатерина во главе войск выступила из Петербурга, чтобы арестовать незадачливого супруга. С ней была значительная сила: три пехотных гвардейских полка, конногвардейцы, полк гусар и два полка инфантерии. Впрочем, опасаться серьезного сопротивления со стороны голштинцев не приходилось по причине их крайней малочисленности. «Была ясная летняя ночь»,  писал один из первых биографов императрицы А. Г. Брикнер. «Екатерина, верхом, в мужском платье, в мундире Преображенского полка, в шляпе, украшенной дубовыми ветвями, из-под которой распущены были длинные красивые волосы, выступила с войском из Петербурга, подле императрицы ехала княгиня Дашкова, также верхом и в мундире: зрелище странное, привлекательное, пленительное. Эта сцена напоминала забавы Екатерины во времена юношества, ее страсть к верховой езде, и в то же время здесь происходило чрезвычайно важное политическое действие: появление Екатерины в мужском костюме, среди такой обстановки, было решающим судьбу России торжеством над жалким противником, личность которого не имела значения, сан которого, однако, оставался опасным до совершенного устранения его».