В «Славянском базаре» на Никольской утром 2 февраля Дора Бриллиант зарядила две бомбы для Каляева и Куликовского. В семь часов вечера Савинков встретил Дору на Никольской улице у «Славянского базара», в Богоявленском переулке переложил их из Дориного пледа в свой портфель, в Большом Черкасском переулке сел в сани к извозчику Моисеенко, на Ильинке аккуратно и передал бомбу ждавшему его Каляеву, а затем передал бомбу на Варварке ждавшему его Куликовскому. В восемь часов вечера Каляев встал с бомбой в узелке на Воскресенской площади у городской думы, а Куликовский у проезда Александровского сада, где находился и Савинков. Два крестьянина в поддевках, картузах и высоких сапогах держали бомбы в ситцевых платочках, и только мимо них мог проехать из Никольских ворот в Большой театр великий князь Сергей Александрович. Увидев медленно приближавшуюся карету, Каляев быстро пошел наперерез, увидел внутри кроме объекта еще и его жену Елизавету Федоровну и двух ее маленьких племянников, бомбу бросать не стал и быстро свернул в сторону. Карета с великим князем проехала к Большому театру, а Каляев подошел к Савинкову в Александровский сад, и сказал, что с детьми Сергея Александровича убивать было нельзя. Савинков ответил, что Каляев поступил правильно, потому что партия не считает возможным подобное убийство. Савинков, Каляев и Куликовский с бомбами пошли к Большому театру, надеясь перехватить Сергея Александровича после спектакля одного.
Великий князь уехал из театра с семьей и Савинков вернул обе бомбы Доре Бриллиант. Моисеенко сказал товарищам, что 4 февраля, в пятницу, Сергей Александрович должен поехать на Тверскую, в генерал-губернаторский дом. Каляев и Куликовский на день выехали из Москвы, чтобы вернуться в город 4 февраля утром. В час дня этого дня Савинков у «Славянского базара» опять взял у Доры две заряженные бомбы. Каляев ждал Савинкова в Юшковом переулке. У Куликовского не выдержали нервы и он отказался от участия в покушении. Времени на раздумье уже не было, Савинков, Моисеенко и Каляев быстро переговорили и решили нападать с одной бомбой. По техническо-конспиративным причинам ни Савинков, ни Моисеенко в тот же день не могли стать вторыми метальщиками. Каляев шел в атаку на великого князя один: «если он поедет, я убью его».
Сергей Александрович всегда около двух часов дня выезжал из Кремля через Никольские и Иверские ворота и по Тверской ехал к генерал-губернаторскому дому. Около двух часов дня Савинков и Каляев по Ильинке вышли на Красную площадь, поцеловались и один с бомбой к Никольским воротам, а второй вошел через Спасские ворота в Кремль и остановился у памятника Александру II. Карета великого князя уже стояла у дворцового подъезда. Каляев тоже вошел в Кремль и находился на половине дороги от дворца к воротам. Савинков быстро пошел на Кузнецкий мост, встретился там с Бриллиант и вместе с ней двинулся назад в Кремль. В половине третьего часа дня 4 февраля 1905 года Каляев в поддевке, высоких сапогах и барашковой шапке увидел карету Сергея Александровича. Он дал карете приблизиться, внезапно рванулся с места и с разбега швырнул бомбу в платочном узелке точно под дверцу с расстояния менее трех метров.
Сергей Александрович был разорван, кучер убит, карету разнесло. Звук взрыва был слышен по всему центру древней столицы. К Кремлю бежали люди. Савинков и Бриллиант у булочной Филиппова на Тверской сели в сани к извозчику Моисеенко и уехали от Кремля. Дело было кончено.
Оглушенного и раненного, но оставшегося в живых Каляева схватили очнувшиеся, на удивление, кремлевские полицейские. Посаженный в Бутырскую тюрьму, в камеру, где держали Пугачева, он писал своим товарищам, уже знавшим, как и вся империя, что Каляева в открытых санях везли в Бутырку, он громко кричал: «долой царя, долой правительство»: