Той осенью 1879 года работа одесской группы прошла впустую — царский поезд ушел из Симферополя в Петербург, минуя Одессу. Но он не мог объехать Александровск, куда прибыл 18 ноября. Однако мина, заложенная там народовольцами, так и не сработала. Московской группе повезло больше. Вечером 19 ноября 1879 года она подорвала зарядом, заложенным в подкоп под дорогой, царский состав, приближавшийся к «Москве-Курской». Но это оказался поезд со свитой, случайно пущенный в нарушение протокола впереди именного императорского эшелона. Благодаря тому же милосердному случаю бомба с зарядом в сотню килограммов динамита сработала под четвертым, товарным вагоном состава с фруктами для царского стола. И хотя сильный взрыв сбросил с рельсов восемь вагонов «свитского поезда», никто из его пассажиров серьезно не пострадал.
Три подряд неудачи не обескуражили народовольцев, быстро составивших новый план покушения. Осенью 1879 года лидер сотрудничавшего с «Народной волей» «Северного союза русских рабочих», 24-летний столяр-краснодеревщик Степан Халтурин устроился на работу в хозяйственную часть Зимнего дворца по своей специальности, но под именем «крестьянина Степана Батышкова». Вскоре мастер высшей квалификации Халтурин стал получать самые тонкие заказы на ремонт мебели в личных царских покоях. Изучив планировку и систему охраны Зимнего дворца, Халтурин предложил взорвать царя, заложив мощную бомбу двумя этажами ниже царской столовой — в подвале, где была служебная квартира самого Халтурина и его коллег-столяров. Несмотря на жесткий режим дворцовой охраны, к февралю 1880 года Степану удалось пронести во дворец 50 кг динамита, что составило половину заряда, необходимого для взрыва.
Но именно в тот момент был арестован человек, снабжавший Халтурина взрывчаткой — агент Исполнительного комитета «Народной воли» Александр Квятковский. При обыске у него нашли план Зимнего дворца с крестом, помечавшим царскую столовую. Встревоженная дворцовая охрана учинила повальные проверки обслуги, столяров решили перевести в другое помещение… и Халтурин решил рискнуть. Взрыв динамитного заряда раздался в 6 часов 20 минут вечера 5 февраля 1880 года, когда в столовой должен был идти парадный царский обед в честь приехавшего в Россию немецкого принца, выборного короля Болгарии Александра Гессенского.
Пробив потолочное перекрытие, взрывная волна из подвала разнесла караульное помещение на первом этаже, где в тот день дежурил наряд лейб-гвардии Финляндского пехотного полка. Этажом выше, в царской столовой паркетный пол поднялся бугром, а стены дали трещины, но устояли. Из-под обломков на месте взрыва спасатели-добровольцы извлекли 11 трупов солдат Финляндского полка. Еще 56 гвардейцев и дворцовых служащих были ранены. Но царь и его семья и в тот день не пострадали, задержавшись в приемных покоях в ожидании принца Гессенского.
Скрывшийся Халтурин оставался на свободе до 1882 года, когда он убил военного прокурора Одессы Синельникова, был схвачен, осужден и повешен. Даже после его казни власти не сразу узнали о причастности Халтурина к взрыву в Зимнем дворце, давшему толчок ко многим значимым событиям. В первые дни после взрыва всю столицу Российской империи охватила паника. По Санкт-Петербургу поползли слухи, что 19 февраля 1880 года, в день 25-летия царствования Александра II, совпавший с годовщиной отмены крепостного права, произойдут новые взрывы в разных частях города. Многие семьи на время покидали столицу, оставшиеся делились друг с другом россказнями о готовящемся подкопе под Зимний дворец, о грядущем взрыве на императорской яхте «Ливадия». Докатываясь до Лондона, Берлина и Парижа, эти слухи сбивали курс русских акций на европейских биржах. Отечественная промышленность и торговля несли убытки, клиенты российских банков переводили капиталы за границу.
Взрыв в Зимнем дворце повлек перемены и в верхах власти. 9 февраля царским указом была образована получившая исключительные полномочия «Верховная распорядительная комиссия по охране государственного порядка и общественного спокойствия» во главе с видным полководцем русско-турецкой войны, энергичным генерал-губернатором Харьковской губернии графом Михаилом Тариеловичем Лорис-Меликовым. Но всего через две недели, 20 февраля 55-летний граф едва не пал жертвой покушения террориста-одиночки, подкараулившего генерал-губернатора у его особняка на Морской улице. Однако неопытный стрелок дал три подряд промаха из револьвера, был сбит с ног ударом графского кулака и скручен охраной Меликова. Стрелявший оказался 23-летним конторским письмоводителем Ипполитом Млодецким. Он был связан с «Народной волей», но покушался на Лорис-Меликова без ведома организации. Млодецкий был судим военно-полевым судом в день покушения 20 февраля и назавтра повешен.