Николай приказал начать кавалерийские атаки. Они были неудачны: лейб-гренадеры и московцы отражали их холостыми зарядами. К двум часам Николаю пришлось отказаться от новых атак. С помощью подошедших к этому времени Измайловского и Семеновского полков удалось завершить окружение восставших войск.
Но положение все еще было настолько неопределенным, что Николай продолжал испытывать тревогу за безопасность семьи и, взяв с собой конвой из кавалергардов, поехал во дворец. Сказав накануне решающего дня жене: «Неизвестно, что ожидает нас. Обещай мне проявить мужество и, если придется умереть, умереть с честью», Николай теперь стремился во что бы то ни стало уберечь семью от подобной угрозы. Приехав во дворец, он распорядился приготовить кареты, на которых можно было в сопровождении охраны из кавалергардов отправить ее в Царское Село.
Это распоряжение было весьма своевременно: как только Николай направился снова к Сенатской площади, произошел один из самых удивительных эпизодов этого дня. Поручик Панов, которому удалось вывести лейб-гренадер, провел их не на Сенатскую площадь, а по Миллионной улице к Зимнему дворцу. И не только подошел к дворцу, но и прорвался через караул в дворцовый двор. Он был на волосок от захвата дворца — последствия этого легко представить. Но там он столкнулся с саперами и не решился на схватку с ними. Лейб-гренадеры снова вышли на Дворцовую площадь, где их увидел подъезжающий в этот момент Николай. Он так вспоминал об этом драматическом моменте: «Подъехав к ним, ничего не подозревая, я хотел остановить людей и выстроить, но на мое „Стой!“ отвечали мне: „Мы — за Константина!“ Я указал им на Сенатскую площадь и сказал: „Когда так, то вот вам дорога“. И вся сия толпа прошла мимо меня, сквозь все войска и присоединилась без препятствия к своим одинако заблужденным товарищам. К счастию, что сие так было, ибо иначе бы началось кровопролитие под окнами дворца и участь наша была более чем сомнительна».
Между тем короткий зимний день кончался. В половине третьего начало смеркаться. Солдаты на Сенатской площади стояли уже почти пять часов, устали и замерзли. Николай, решившись послать за артиллерией, вернулся на площадь и предпринял последние попытки уговорить восставших. Послав дежурного генерала за артиллерией, он уговорил петербургского митрополита Серафима и киевского митрополита Евгения поехать к мятежным частям. Миссия их была крайне неудачна: крики и угрозы, раздавшиеся из рядов солдат и матросов, заставили их поспешно ретироваться. В это время к восставшим подошла часть лейб-гренадер под командой Панова и был убит пытавшийся их задержать командир полка Стюрлер. Тогда Николай послал последнего парламентера — Михаила Павловича. Однако вместо того, чтобы обратиться к московцам, к полку, шефом которого он был, великий князь вынужден был остановиться перед колонной моряков, выстроившейся перед каре. Попытки Михаила убедить солдат тоже не имели никакого успеха.
Время мирных средств миновало, артиллерия под командованием генерала Сухозанета шла к Сенату, но Николай все еще колебался. Картечь, которой так легко было поразить стоявшие ряды восставших, могла вывести их из пассивности. Но не было уверенности в том, не откажутся ли артиллеристы стрелять по своим. И, прежде чем решиться, он послал с последним предупреждением Сухозанета. Но и перед направленными на них орудиями восставшие были тверды. Тогда наконец команда была отдана. «Первая пушка грянула, — писал Николай Бестужев, — картечь рассыпалась, одни пули ударили в мостовую и подняли рикошетами снег и пыль столбами, другие вырвали несколько рядов из фрунта, третьи с визгом пронеслись над головами и нашли своих жертв в народе, лепившемся между колонн сенатского дома и на крышах соседних домов. „…“ Другой и третий выстрелы повалили кучу солдат и черни, которая толпами собралась около нашего места». Ряды были смяты, восставшие бежали по набережной, по льду, тонули в полыньях, пытались скрыться на соседних улицах. Восстание было разгромлено. Император одержал победу — но какой ценой?
В тот же день начались аресты членов тайных обществ. Участие в процессе декабристов стало для Николая I первым опытом государственного управления. Он лично отдавал приказания об арестах и распоряжения об условиях содержания декабристов в крепости и на гауптвахте. Он сам допрашивал и руководил ходом дознания. Наряду с журналами Следственного комитета, учрежденного для раскрытия обстоятельств противоправительственного заговора и восстания 14 декабря, сохранились специальные докладные записки, в которых председатель комитета, военный министр А. И. Татищев почти ежедневно, а то и по нескольку раз в день информировал императора о ходе расследования. Записки эти за первый месяц следствия буквально испещрены резолюциями и указаниями Николая — настолько глубоко и тщательно вникал он во все детали. В этой новой для него деятельности закладывались основы его будущих методов управления государством.