Но став регентом, Бирон переменился в первые же дни. И хотя окружавшие видели по-прежнему грубого, заносчивого и самонадеянного вельможу, но уже не того Бирона, а явно растерявшегося человека, который будто бы потерял опору и не знает, что делать. Он начал с милостей: некоторых ссыльных вернул, другим смягчил приговоры, снизил подушный налог, но это уже не действовало. Недовольство вокруг временщика, не обладавшего к тому же ни государственным умом, ни способностью завоевывать симпатии, сгущалось. Смерть Анны Иоанновны поставила его лицом к лицу с дворянством и гвардейцами в столице. Видя всеобщее недовольство Бироном, решился действовать фельдмаршал и «столп империи» Б.К. Миних, не переносивший его.
Благоприятные обстоятельства для него наступили в два часа ночи. Фельдмаршал со своим главным адъютантом – полковником Манштейном – через незапертые задние ворота вошли во дворец и прошли в покои Анны Леопольдовны. После короткого разговора с ней Б.К. Миних вызвал караульных офицеров, которым правительница объявила, что решила арестовать Бирона. Фельдмаршал отобрал 80 человек и вместе с ними двинулся ко дворцу регента. Они беспрепятственно прошли через сад и поднялись в спальню Бирона. Мягкий ковер, покрывавший весь пол, заглушил шаги; приблизившись к кровати, больше похожей на большой ящик, фельдмаршал отодвинул полог. Свет ночника упал на бледное, тощее лицо Бирона, лежавшего рядом со своей дебелой супругой, полнота которой еще больше подчеркивала худобу герцога.
Офицеры схватили проснувшегося Бирона. Он стал отчаянно сопротивляться, но его повалили на пол и жестоко избили, а потом связали руки шарфом, рот заткнули платком и, закутав в одеяло, понесли к карете. Лакей, окаменевший от изумления, только широко раскрыл глаза и молча таращился на офицеров, в руках которых бился связанный регент. Так пал всесильный временщик Бирон, и падение его было встречено всеобщим ликованием.
9 ноября от имени императора Иоанна Антоновича был издан манифест, которым Бирон отстранялся от регентства, а правительницей с теми же полномочиями назначалась Анна Леопольдовна. Временно герцога вместе с семьей поместили в двух тесных кельях Александро-Невской лавры, которая по этому случаю была наполнена войсками. Сам Бирон отнесся к свершившемуся почти равнодушно, так как давно понял, что со смертью императрицы Анны Иоанновны потерял свою главную и единственную опору. Но его жена и дети, привыкшие к роскоши и царским почестям, были в отчаянии. Сыновья герцога, Петр и Карл, бесновались так, что по пути из родительского дворца в лавру их пришлось связать. В лавре они начали бить стекла и крушить мебель, и напрасно отец пытался говорить, что им ровно ничего не грозит, потому что у них есть большое состояние, хранящееся в надежных руках. Им разрешат уехать за границу, но юноши, унаследовавшие от отца буйный характер, ничего не хотели слушать. Они кричали, что отец погубил их, и требовали, чтобы им разрешили вернуться во дворец.
На следующее утро всю семью Бирона перевели в Шлиссельбургскую крепость. Бывшего регента везли в отдельной карете под особо строгим конвоем. На козлах и на запятках находились офицеры с заряженными пистолетами, по сторонам кареты ехали кавалеристы с обнаженными палашами. Герцог сидел, откинувшись на подушки и надвинув на глаза меховую шапку, чтобы его не узнали. Однако теснившийся на улице народ знал, кого везут, и осыпал пленника злобными насмешками. Когда карета выехала из Санкт-Петербурга, Бирон находился в полуобморочном состоянии, и в лодку на переправе его перенесли на руках.
Заключенный в Шлиссельбурге, курляндский герцог чувствовал и предвидел, что пощады ему не будет: он в свое время жестоко преследовал противников, и потому они расправятся с ним не менее сурово. Против Бирона выдвинули несколько обвинений «в безобразных и злоумышленных преступлениях» – крупных и мелких. Его обвиняли в обманном захвате регентства, намерении удалить из России императорскую фамилию, чтобы утвердить престол за собой и своим потомством, небрежении о здоровье государыни, в «малослыханных» жестокостях, водворении немцев, усилении шпионства и т. д. Следствие и суд длились долго, а в апреле 1741 года был обнародован манифест «О винах бывшего регента герцога Курляндского», который три воскресенья подряд читали народу в церквах. Сначала Сенат приговорил бывшего регента к смертной казни через четвертование, но Анна Леопольдовна заменила этот приговор на вечное заточение в Сибири – в небольшом городке Пелыме, находившемся в 600 верстах от Тобольска. Бирон был лишен всех чинов, всех знаков отличия и имущества.