Пётр III приблизил к себе вельмож-немцев, сосланных при Елизавете: легендарного герцога Бирона, графа Лестока, сыновей покойного канцлера Остермана, фельдмаршала Миниха. Приблизил к себе Пётр III семейство Воронцовых, к которому принадлежала его фаворитка Елизавета Воронцова. К моменту восшествия на престол Пётр III уже много месяцев фактически жил врозь с женой Екатериной, несколько ранее, в феврале 1762 года, родившей внебрачного сына от своего тогдашнего любовника, красавца гиганта Григория Орлова (отпрыск Екатерины стал графом Алексеем Бобринским). Вокруг неё группировались удаленные от власти русские царедворцы и те, кто рассчитывал возвыситься, – Орловы, Панины, Разумовские… Пётр III в какой-то мере помог успеху заговорщиков, ликвидировав своим указом – в рамках задуманных на европейский лад преобразований – Тайную канцелярию, выполнявшую функции секретной службы. Братья Орловы и их товарищи могли спокойно агитировать за Екатерину в гвардейских полках. Правда, накануне переворота один из заговорщиков, капитан Пассек, все-таки был арестован, однако это не спасло Петра III.
В день переворота, 28 июня 1762 года, император пребывал в своем любимом Ораниенбауме, императрица – в Петергофе, куда один из братьев Орловых, Григорий, накануне принес весть об аресте Пассека. К тому времени в заговоре участвовало до 40 гвардейских офицеров и до 10 тысяч рядовых. Решено было поднимать полки. Гвардейцы ввели Екатерину в Казанский собор, где отслужили торжественный молебен в честь её восшествия на престол, затем новую императрицу солдаты Семеновского и Измайловского полков буквально внесли в Зимний дворец. Здесь ей присягнули Сенат и Синод. Все это свершилось уже к 10 часам утра. В это время Пётр III, еще ничего не подозревая, отправился в Петергоф к императрице. В Петергофе император и его свита Екатерину не обнаружили и пришли в большое смущение. Тут появился крестьянин с запиской от бывшего императорского камердинера Брессона, которого Пётр III сделал директором гобеленовой мануфактуры в Петербурге. Брессон сообщил о происшедшем перевороте, а в три часа дня ту информацию подтвердил приплывший в Петергоф на шлюпке голштинский офицер.
Миних предложил добраться до Кронштадта на Яхте, а оттуда на военном корабле отплыть за границу, где призвать на помощь находившуюся в Германии русскую армию. Однако только в десятом часу вечера императорская яхта в сопровождении гребной галеры взяли курс на Кронштадт. К тому времени порт уже был занят войсками, верными Екатерине. Миних предложил Петру III на галере добраться до Ревеля, а оттуда на военном корабле отплыть к армии в Померанию. Старый фельдмаршал ручался, что таким образом император не позднее чем за шесть недель восстановит контроль над Петербургом и всей Россией. Если бы Пётр III успел в Ревель, а потом к заграничной армии раньше, чем туда прибыли бы рескрипты Екатерины, соответственно, у него оставались бы шансы на успех. Учитывая нелюбовь офицеров к свергнутому императору, представляется все же сомнительным, что Петру III удалось бы вернуть трон, даже последуй он совету Миниха. Вероятно, самым целесообразным было просто скрыться за границей. Однако император предпочел не рисковать. Он вернулся в Ораниенбаум и решил вступить в переговоры с Екатериной, предлагая ей разделить власть. Никаких сил, кроме нескольких голштинских батальонов, за свергнутым императором не было, и нелюбимая супруга не сочла необходимым даже ответить на это предложение.
Утром 29 июня гусары под командованием Алексея Орлова вошли в Петергоф, следом двинулись пехотные полки. В 11 часов здесь верхом появилась императрица, восторженно приветствуемая войсками. К тому времени император сам выразил намерение отречься от престола и в первом часу был привезен в Петергоф генералом Измайловым. Петра III поместили под домашний арест в дворцовый флигель. Здесь от перенесенных потрясений он упал в обморок. Один из главных заговорщиков граф Никита Иванович Панин вспоминал о свергнутом императоре: «… Я считаю несчастием всей моей жизни, что принужден был видеть его тогда. Я нашел его утопающим в слезах. Он бросился ко мне, пытаясь поймать мою руку, чтобы поцеловать её, любимица его бросилась на колени, испрашивая позволения остаться при нем. Пётр также только о том и просил…» Однако императорскую любовницу Елизавету Воронцову тотчас отправили в Москву, где срочно выдали замуж. Очевидно, убийство Петра III было задумано сразу же, и заговорщики спешили избавиться от опасного свидетеля, чтобы не брать лишнего греха на душу. Чтобы утешить и усыпить бдительность арестованного, ему позволили оставить скрипку, собаку и прислужника-арапчонка (как свидетель он опасности не представлял).