События развивались столь стремительно, что не успевавшие реагировать на них Дума и царь значительно оторвались друг от друга и от революционных масс. К тому моменту, когда Николай наконец решил, что необходимо немедленно создать ответственное министерство во главе с Родзянко, думские лидеры также опоздали выполнить свой план по спасению монархии, для чего намеревались возвести на трон одного из великих князей. Оказавшись перед фактом массового дезертирства из армии, Николай II 15 марта отказался от трона в пользу своего двенадцатилетнего сына Алексея, назначив регентом своего брата, великого князя Михаила. Милюков возвестил об этой смене правителя собравшейся перед зданием Думы толпе и попытался пояснить смысл события, но ему не дали говорить, заглушив его криками. Позднее Николай передумал назначать наследником трона Алексея из-за его хронической болезни и в официальном манифесте об отречении возложил царствование на великого князя.
16 марта думский комитет пытался убедить Михаила согласиться на правление. Поскольку ни Милюков, ни Родзянко не могли гарантировать его личную безопасность, Михаил счел благоразумным отказаться от престола. Окончательно осознав полное крушение идеи конституционной монархии, думские лидеры продолжали лихорадочно искать какие-либо лозунги, посредством которых революцию можно было бы «дисциплинировать» и сделать ее порождением самой Думы. Французский посол, вызванный Родзянко для совета, сказал, что его прежде всего беспокоит вопрос войны и что необходимо как можно скорее восстановить порядок и свести к минимуму все последствия революции. Василий Шульгин, депутат-консерватор, выразил чувства своих коллег, когда предупредил, что «если мы не возьмем власть, ее возьмут другие… те, кто уже выбрал на фабриках каких-то негодяев». «Негодяи на фабриках», о которых он говорил, были представителями Советов рабочих и солдатских депутатов, уникальной формы революционной демократии, которая впервые заявила о себе во время революции 1905 года. Советы представляли собой местные образования, в состав которых входили депутаты, избранные из среды рабочих, крестьян и солдат. Поскольку Петроградский Совет располагался в самой столице, во время мартовской (Февральской) революции он обладал гораздо большим влиянием и властью, чем советы, находившиеся за ее пределами. Эти организации отражали действительное состояние народного мнения гораздо точнее, чем Временное правительство, которое приняло на себя руководство страной после отречения великого князя. Возник феномен «двойной власти» с непреодолимым противоречием интересов, представляемых законным правительством и фактически существующей властью Советов; это противоречие поначалу было не очень заметным, но постепенно все более обострялось, пока в ноябре большевики не сумели захватить власть.
Лидерами Думы было избрано Временное правительство. Оно возглавлялось князем Георгием Евгеньевичем Львовым, честным, но бесцветным кадетом правого крыла. То, что на этот пост был избран именно он вместо более ожидаемого по логике кандидата Родзянко, было результатом влияния Милюкова, чья личная непопулярность в народе помешала ему самому стать главой правительства. Милюков контролировал деятельность нового правительства, но сам удовлетворился портфелем министра иностранных дел. В целом кабинет контролировался кадетами и консервативными националистами (октябристами), единственное исключение составлял пост министра юстиции, который был отдан Александру Федоровичу Керенскому, юристу умеренных левых взглядов, вскоре ставшему главной фигурой правительства. Николай Чхеидзе, меньшевик, недавно избранный председателем Петроградского Совета, был рекомендован на пост руководителя Министерства труда, но отказался от него, подчиняясь резолюции Исполнительного комитета Совета, которая высказалась против участия во Временном правительстве. Керенский, который так же был членом Совета, отказался подчиниться резолюции и тем не менее сохранил твердое положение в обоих лагерях. Как выразился Ленин, правительство было сформировано из «десяти министров-капиталистов и Керенского в качестве заложника демократии».