Елизавета, вернувшись к себе, сначала долго молилась перед образом Богоматери, ибо была без притворства очень набожной. Говорили потом, что во время этой молитвы она дала обет отменить смертную казнь в свое царствование. Затем она собрала своих сторонников на совещание, где было решено совершить переворот в следующую ночь. На совещании присутствовали все вышепоименованные лица из окружения цесаревны и еще ряд приближенных, игравших больше роль статистов. В казармы Преображенского полка было послано то самое предупреждение, о котором Елизавета говорила летом, и получен ответ, что гвардейцы готовы исполнять приказания цесаревны.
В ночь на 25 ноября Елизавета надела кавалерийскую кирасу поверх платья и в санях, в сопровождении Воронцова и обоих Шуваловых, со шпагою в руке поехала в казармы преображенцев. Гвардейцы были в сборе и с восторгом встретили будущую государыню. Елизавета взяла с них слово никого не убивать, потом состоялась трогательная взаимная клятва на кресте, когда цесаревна и преображенцы пообещали умереть друг за друга.
Первым делом мятежники направились к Зимнему дворцу. Елизавета медленно шла по глубокому снегу, путаясь в юбках; тогда дюжие гвардейцы взяли ее на свои плечи и так внесли в Зимний дворец. Караул дворца сразу перешел на сторону «путчистов». Тогда солдаты направились на второй этаж и арестовали Анну Леопольдовну и ее мужа Антона-Ульриха.
Об аресте Анны сохранилось несколько противоречивых рассказов. Согласно одному из них Елизавета сказала ей: «Вставай, сестрица, пора!» Анна спросонья спросила только: «Сестра, это ты?» – как тут же была схвачена. Несколько непонятен такой обмен репликами, так как Елизавета приходилась Анне двоюродной тетушкой. По другому рассказу разговор был более долгим: Анна умоляла Елизавету не причинять зла ночевавшей тут же фрейлине Менгден, что Елизавета обещала. Впрочем, не суть важно, как там происходило, главное – все были арестованы.
Некоторая заминка вышла с арестом годовалого императора и его четырехмесячной сестры. Елизавета приказала гвардейцам, чтобы те не будили детей, а подождали, пока они проснутся. Гвардейцы прождали около часа. В суматохе они уронили маленькую девочку, отчего та оглохла. Елизавета, по-видимому, долго не знала, что делать с детьми. Взяв низвергнутого императора Ивана VI на руки, она поцеловала его со словами: «Малютка, ты ни в чем не виноват» – и так, с ребенком на руках, поехала к себе во дворец.
Между тем возвращенный за несколько недель до этого из ссылки Алексей Бестужев-Рюмин, канцлер Алексей Черкасский и бывший президент Академии наук Карл фон Бреверн трудились над манифестом, который должен был с утра 25 ноября возвестить народу, что Елизавета вступила на престол «по законному праву, по близости крови к самодержавным родителям». Спешно была заготовлена и форма присяги. Никто не выступил в защиту свергнутого Брауншвейгского семейства и рода Иоанна Алексеевича. Очередной дворцовый переворот совершился.