В заговоре, по традиции, активную роль играли гвардейцы. Широкие связи претендентки на престол в офицерской среде обеспечили ей поддержку всех четырех полков гвардии и некоторых других расквартированных в Петербурге воинских частей. Важную роль сыграла позиция гвардейского полковника Кирилла Разумовского.
Некоторая часть дворянства примкнула к заговорщикам, чтобы возвести на престол наследника Павла Петровича, а Екатерину сделать регентшей и при ее содействии преобразовать Россию в конституционную монархию. Чтобы увеличить число противников Петра, распускались различные слухи о его намерении убить Екатерину, чтобы вступить в брак со своей фавориткой Елизаветой Воронцовой и короновать ее как императрицу, переодеть православных священников в пасторские одежды и сбрить им бороды и прочие «понятные массам» идеи.
Сигналом к началу переворота стал арест офицера-преображенца Пассека. На 29 июня 1762 года, когда по церковному календарю отмечался день Петра и Павла, Петр назначил торжественную церемонию. Утром накануне император с приближенными направился в Петергоф, где его должна была ждать Екатерина. Но выяснилось, что рано утром за несколько часов до этого Алексей Орлов (брат фаворита императрицы Григория Орлова) привез Екатерину в Петербург, где она обратилась к солдатам Измайловского полка, а потом и к семеновцам. Затем последовал молебен в Казанском соборе и присяга Сената и Синода. Вечером был совершен «поход на Петергоф», где Петр III был на праздновании своих именин и именин наследника Павла. Нерешительность и какая-то детская покорность императора сделали свое дело – никакие советы и действия приближенных не могли вывести Петра из состояния страха и оцепенения. Он довольно быстро отказался от борьбы за власть и, по существу, за свою жизнь.
Возможно, Петр III мог спастись, если бы действовал быстро и решительно. Но он потерял пять часов в ожидании точных известий о событиях в Петербурге, куда послал своих разведчиков. Почти все они были схвачены сторонниками Екатерины, а те немногие, кто сумел вернуться, могли сообщить только о блокировании въездов в столицу. Император вызвал из Ораниенбаума в Петергоф голштинский отряд и приказал ему окопаться для отражения атаки, но приближенные сумели отговорить его от вооруженного сопротивления, будучи уверенными в неравенстве сил (по одной версии, у Петра было восемьсот солдат, по другой – вдвое больше). Наконец, было принято решение, которое несколькими часами ранее могло оказаться спасительным: отплыть в Кронштадт. Но к тому времени он уже оказался в руках сторонников новой императрицы. Когда Петр III и сопровождавшие его лица на галере и яхте подошли к Кронштадту, им под угрозой артиллерийского обстрела приказано было уходить. Император в три часа утра 29 июня вернулся в Ораниенбаум и распустил по квартирам голштинские войска, готовые его защищать. После этого ему стало настолько плохо, что он послал за священником ближайшей православной церкви.
Вскоре в Петергоф прибыли полки новой императрицы, а отряд гусар под командованием брата фаворита Екатерины А. Г. Орлова блокировал Ораниенбаум. Петр III подписал отречение от престола. Свергнутого самодержца отвезли в Ропшу, где, по версии большинства историков, он был убит своими тюремщиками. Фридрих II так прокомментировал это событие: «Он позволил себя свергнуть, как ребенок, которого отсылают спать».
Петр III не был ничтожеством, но его нельзя назвать и талантливым государственным деятелем. Его способности были заурядными, хотя сам он считал иначе, а раболепие окружающих усиливало это пагубное самообольщение. В конечном счете самодержавие оказалось слишком тяжелым испытанием для него. В последний месяц правления несчастного императора стала складываться новая структура высшей власти, которая со временем, возможно, упрочила бы существующий режим. Но этого времени уже не оставалось. Наличие мощной оппозиции и продуманного заговора во главе с талантливой претенденткой на престол оказалось решающим фактором, определившим трагическую участь Петра III.