За полгода царствования Петр Федорович смог вызвать нелюбовь к себе почти у всех гражданских сановников и высших военных чинов. Неспособность Петра Федоровича управлять государством подталкивала их к размышлениям о переменах в правительстве. К тому времени высшая власть в России уже накопила богатый опыт государственных переворотов. Большинство заговорщиков делали ставку на Екатерину. Но сначала ей предлагали регентство при малолетнем сыне Павле Петровиче. Такой вариант совсем не устраивал 32-летнюю императрицу. Она хотела править сама. В конце концов вокруг нее образовался кружок из особо доверенных людей, в число которых входили Григорий Орлов, его родные братья, несколько близких императрице молодых аристократов и ее личная подруга, дочь сенатора Воронцова Екатерина Дашкова. Их поддерживали около 40 офицеров и 10 тысяч рядовых гвардейских полков, которые не хотели идти вместе с Петром III воевать на стороне своих недавних врагов — пруссаков. Переворот наметили на дни отъезда Петра Федоровича в Ораниенбаум, где находился его любимый голштинский гарнизон.
28 июня 1762 года, в день своих именин, Петр III отбыл из Петергофа в Ораниенбаум. Как только он и его свита скрылись из виду, Екатерина в сопровождении Алексея Орлова, брата своего фаворита, отправилась в Петербург, чтобы там начать военные действия против собственного мужа. По дороге к ним присоединился Григорий Орлов. Позже Екатерина напишет Понятовскому:
В столице, в казармах Измайловского полка, императрицу встретили восторженными криками. Уже под охраной гвардейцев Екатерина явилась в Казанский собор, где архиепископ Дмитрий провозгласил ее самодержицей Всероссийской, а ее сына Павла — наследником. В новом Зимнем дворце императрицу ждали члены Сената, которым она представила текст присяги и манифест о собственном восшествии на престол. После принятия присяги сенаторами и выстроившимися перед дворцом гвардейскими войсками Екатерина переоделась в офицерский мундир Преображенского полка, который позаимствовала у капитана Талызина, и отправилась верхом во главе гвардейских полков в Петергоф. Рядом с ней в таком же преображенском мундире, снятом по такому случаю с сержанта Пушкина, скакала фрейлина Дашкова — знаменитая молодая вольтерьянка, будущий президент Российской Академии наук.
До Петра дошли слухи о перевороте в столице, когда он в Ораниенбауме производил обычный смотр своих голштинцев. Он немедленно собрался и прибыл в Петергоф, но там, в павильоне Монплезир, обнаружил только парадное платье своей супруги, приготовленное для намеченных на вечер придворных именинных торжеств. Император отправил в Петербург Воронцова, Трубецкого и Шувалова, чтобы разузнать подробности происходящего. Но когда придворные уехали, Петр осознал, что назад они не вернутся, а ему самому нужно спасаться бегством, так как его свита не сможет противостоять идущим из столицы гвардейским полкам. Петр Федорович уехал сначала в Ораниенбаум, а оттуда — в Кронштадт, в крепости которого хотел переждать надвигающуюся беду. Но еще до приезда императора здесь уже арестовали его адъютанта, графа Девьера, а распоряжения отдавал адмирал Талызин, родственник славного капитана, в камзоле которого Екатерина вела гвардейцев на Петергоф и Ораниенбаум. Самого же Петра III в Кронштадт не пустили, мотивируя это тем, что в России нет никакого императора, а есть императрица Екатерина II. Петру Федоровичу пришлось возвращаться назад, надеясь на милость победителей.
Петр остановился в любимом Ораниенбауме и послал к Екатерине генерала М. Л. Измайлова с известием, что готов добровольно отречься от престола, лишь бы ему и близким к нему людям сохранили жизнь. Императрица согласилась принять его отречение на таких условиях. 29 июня отряд гвардейцев во главе с поручиком Алексеем Орловым занял Петергоф. Вскоре туда без всякого принуждения прибыл подписавший в Ораниенбауме свое отречение Петр III. Вместе с ним были его любовница Елизавета Воронцова и часть людей из свиты. Екатерина выделила ему охрану из нескольких солдат и шести офицеров под командованием все того же А. Г. Орлова и велела ехать в отдаленную загородную императорскую усадьбу Ропша, чтобы там ждать окончательного решения своей судьбы.