Весной 1762 г. Петр не только был неприкрыто враждебен и агрессивен по отношению к Екатерине, но даже всерьез грозил развестись с ней и заставить ее уйти в монастырь и принять постриг (как это сделал Петр Великий со своей первой женой). Екатерина, со своей стороны, усердно занялась гвардией, а также видными сановниками из правительства Елизаветы. Страх гвардии перед отправкой на войну в Германию, вкупе с собственным страхом Екатерины ускорили дворцовый переворот 28 июня 1762 г., в результате которого Петр был свергнут, а Екатерина провозглашена императрицей. Некоторые сановники, особенно Н. И. Панин, предпочли бы провозглашение Павла и учреждение регентства.
За несколько дней до переворота некоторые заговорщики были арестованы, и Екатерина испугалась, что ее заговор раскрыт. В то время как Петр III находился в Ораниенбауме, Г. Орлов и его братья привезли Екатерину к казармам гвардии и велели объявить ее суверенной императрицей. Постепенно к гвардии присоединились высокие сановники правительства и двора, которые присягнули Екатерине. В сопровождении гвардии Екатерина направилась в Ораниенбаум и на полпути дала своему мужу знать, что он отстранен от власти. Совершенно ошеломленный, Петр собрался оказать сопротивление и попытался обеспечить себе военную поддержку (его собственный голштейнский полк был направлен в Петергоф для подготовки к празднованию; узнав о перевороте, полк разбежался). Петр искал убежища и поддержки на опорном пункте флота в Кронштадте, но заговорщики привели крепость в полную боевую готовность, и императора туда не пустили. Потерявший ориентацию и обескураженный Петр отрекся от престола и был удален в загородный дворец в Ропшу. Там через несколько дней он скончался — вероятно, был убит Алексеем Орловым, приставленным к нему для охраны. Официальная причина смерти — «геморроидальная колика». Петр похоронен в Александро-Невской лавре. При вступлении на престол его сына Павла в 1796 г. останки Петра были перезахоронены в соборе Петропавловской крепости рядом с могилой его жены Екатерины II.
Почему произошел этот государственный переворот и почему он удался так легко? Мы видели, что несмотря на недостатки и ошибки, политика Петра III была не намного хуже или менее «популярной» (в кругах, которых это касалось), чем политика предшествующих или последующих правительств. Даже ее неумелость и сумбурные повадки самого Петра (в глазах придворных и вельмож) были не таковы, чтобы породить серьезную оппозицию. Мероприятия, которые могли бы оказаться началом действительно новаторской переориентации социального и экономического развития России, еще не полностью внедрились в сознание элиты. Несомненно, «аристократические» кланы, такие, как Воронцовы, и некоторые армейские офицеры не приветствовали законодательство Петра, затрагивавшее дворянство и его статус. Но они были еще далеки от того, чтобы поддержать других представителей дворянства. Даже так называемое «патриотическое негодование» по поводу того, что Петр вывел Россию из войны, вступив в союз с Пруссией и предложив бороться за благо своего герцогства, не стоит принимать за чистую монету. Об этом много позже сообщали те, кто имел особые причины на то, чтобы выдавать речи Екатерины за свои собственные.
Из этого можно сделать вывод, что факторами, определившими неудачу Петра, были отсутствие у него способностей к политике и его личные связи, не говоря уже о том, что он обладал меньшей энергией, чем требовалось для того, чтобы начать широкие и смелые реформы. Он не был похож на своего предка, императора Петра Великого. Что касается переворота, приведшего к его свержению, то он был в первую очередь делом рук Екатерины, жаждавшей стать суверенной императрицей. Она нашла поддержку у гвардии и у тех придворных и сановников (например, сенаторов), которые были отстранены от должностей в результате произведенных Петром изменений в составе правительства.