Вечером 23 ноября на приеме в императорском дворце цесаревна играла в карты, сохраняя глубокое и величавое спокойствие. Правительница нервно ходила по залу, изредка бросая взгляды на свою тетку и пытаясь увидеть на ее лице отражение злых умыслов. Но Елизавета была невозмутима. Тогда Анна Леопольдовна пригласила ее в соседнюю комнату, где между ними произошел тяжелый для обеих разговор, решивший исход дела. Добрая и простодушная правительница рассказала Елизавете о подозрениях иностранных послов и своих сановников и потребовала объяснений. Цесаревна, проявив выдержку и хладнокровие, назвала обвинения в свой адрес клеветой, а доверие к ним — безрассудством и даже заявила, что «слишком религиозна, чтобы нарушить данную ею присягу». Объяснение двух женщин закончилось слезами и объятиями. Вернувшись домой, Елизавета созвала совещание, на котором присутствовали Лесток, братья Шуваловы, Разумовский и Воронцов. Ввиду явной опасности раскрытия заговора решено было осуществить переворот вечером следующего дня. Предусмотрительность этого шага подтвердилась, поскольку на другой день гвардейские полки получили приказ выступить из Петербурга на войну со шведами.
В ночь с 24 на 25 ноября Елизавета прибыла в казарму гренадерской роты Преображенского полка и обратилась к своим приверженцам: «Ребята, вы знаете, чья я дочь, идите за мной!» Гвардейцы отвечали: «Матушка, мы готовы, мы их всех убьем". Елизавета возразила: „Если вы хотите поступить таким образом, то я не пойду с вами“. Понимая, что ненависть ее сторонников обращена против иностранцев, она сразу же объявила, что „берет всех этих иноземцев под свое покровительство“.
Переворот был совершен без пролития крови и без участия Шетарди. После ареста родителей маленького императора Елизавета взяла его на руки и вышла к народу. Ребенок сначала испугался множества людей, но потом развеселился и стал подражать раздававшимся вокруг крикам "Ура!». Елизавета Петровна поцеловала свергнутого ею монарха и сказала: «Невинное дитя, ты не знаешь, что клики сии лишают тебя престола». По свидетельству современника, «войска и народ, к которым показалась императрица Елисавета с балкона… выразили такую радость, что лица, жившие в Петербурге лет с тридцать, признаются, что подобной не видали ни при каком другом случае».
Утром 25 ноября 1741 года был опубликован манифест, в котором провозглашалось, что Елизавета Петровна воцарилась по просьбе «всех Наших как духовного, так и светского чинов верных подданных, а особливо лейб-гвардии Наших полков», поскольку во время регентств Бирона и Анны Леопольдовны происходили «беспокойства и непорядки». Елизавета вступила на престол «по законному праву, по близости крови к самодержавным… родителям». Двадцать восьмого ноября был издан второй манифест, в котором права дочери Петра I на российскую корону подкреплялись ссылкой на "Тестамент» Екатерины I. Иван Антонович объявлялся незаконным императором, не имевшим «никакой уже ко всероссийскому престолу принадлежащей претензии, линии и права» Монеты с его изображением были изъяты из обращения, а множество листов с присягой на верность ему публично сожжены на площадях «при барабанном бое».
Императрица Елизавета Петровна начала свое правление в возрасте неполных тридцати двух лет, следовательно, была уже женщиной со сформировавшимся характером, взглядами и привычками. Встречающееся в литературе мнение о ее совершенной неподготовленности к государственному управлению не соответствует действительности. Екатерина I привлекала свою дочь к делам, что не могло пройти бесследно для Елизаветы. Кроме того, цесаревна имела собственную Вотчинную канцелярию и весьма разумно вела хозяйство в своих великокняжеских имениях. Все это давало возможность будущей императрице приобрести определенный опыт для предстоящей государственной деятельности.
Елизавета Петровна обладала многими данными для успешного правления. По словам Б.X. Миниха, она «была одарена от природы самыми высокими качествами, как внешними, так и душевными… У нее был живой, проницательный, веселый и вкрадчивый ум и большие способности». В апреле 1743 года английский дипломат К. Вейч отмечал, что «ни одна принцесса в Европе не входила на троны, обещая быть более великим человеком, и провидение ее достаточно одарило всеми качествами и всеми талантами, нужными для того, чтобы быть любимой и уважаемой своими подданными и другими нациями». Некоторые современники утверждали даже, что «она была образцовая монархиня, в которой соединены были все свойства великой государыни и правительницы, хвалы достойной».