Обратим внимание на дату: через два дня Екатерина родила внебрачного ребенка. Вспыльчивый и неосторожный на язык Петр вполне мог отреагировать на предстоящее событие грозным обещанием. Но вряд ли он собирался его выполнять. Во всяком случае, последующая двухмесячная отсрочка не позволяет говорить ни о каких серьезных намерениях.
Но отношение императора к супруге не могло оставаться прежним. Пятнадцатого апреля при переезде в новый Зимний дворец Петр, по свидетельству Штелина, «помещает императрицу на отдаленном конце его, а ближе к себе, на антресолях, свою любимицу, толстую фрейлину Елисавету Романовну Воронцову». Тем не менее 20 апреля в канун дня рождения Екатерины муж подарил ей подмосковное село Софьино и ряд имений в Новгородском уезде.
Нет оснований верить и слухам о намерении Петра III отказаться от сына. Штелин фиксирует в своих записках: «Навещает великого князя Павла Петровича, целует его и говорит: „Из него со временем выйдет хороший малый. Пусть пока он останется под прежним своим надзором, но я скоро сделаю другое распоряжение и постараюсь, чтобы он получил другое воспитание (военное), вместо женского“. По свидетельству Дашковой, император присутствовал на экзамене Павла вместе со своими голштейнскими родственниками, которым заявил по окончании испытания: «Кажется, этот мальчуган знает больше нас с вами". Доброе отношение Петра III к сыну подтверждается ответной любовью и почитанием родителя, которые проявлял впоследствии Павел I.
Вероятно, Петр тяготился своим браком, но не мог отправить жену в заточение (а другого способа развестись у царей не было) по причине внутреннего благородства и великодушия. Но иногда он не мог скрывать своего раздражения. На обеде 9 июня в честь заключения союза с Пруссией император через весь банкетный зал прокричал супруге, что она — «дура». Екатерина залилась слезами, а Петербург получил лишний повод сочувствовать ей и осуждать ее «деспотичного и развратного» мужа.
Между тем о планируемом перевороте догадывались ммногие. Гольтц и Кейт отговаривали императора от поездки за границу, будучи уверенными, что за время отсутствия он потеряет власть. Но Петр III был настолько беспечен, что даже не пожелал короноваться, руководствуясь опять же примером Фридриха II. Сам кумир Петра в своих письмах призывал его к благоразумию, но император отвечал, что не может короноваться до отъезда к армии, так как война уже почти началась, а для подготовки столь пышного обряда нет ни времени, ни денег.
Против войны с Данией выступали все императорские советники, включая Георга Голштейнского. Миних, единственный крупный стратег в ближайшем окружении Петра III, обоснованно доказывал, что «император рискует… потерпеть поражение в этом походе и потерять армию в самом начале своего царствования». Тридцатого мая 1762 года Совет в полном составе подписал доклад Петру III с доводами против войны, но он решительно объявил через Волкова, что не желает ничего слушать. Как справедливо заметила Екатерина II, ее муж «верил всегда всему, чего желал, и отстранял всякую мысль, противную той, какая над ним господствовала». Двадцать седьмого июня Мельгунов сообщил на заседании Совета, что император «соизволил предпринять скорый отъезд своею высочайшею персоною к армии» и для того приказал приготовить подводы на почтовых станциях от Петербурга до Митавы. Но прежде Петр III хотел торжественно отпраздновать свои именины, которым суждено было стать последним днем его царствования.
Утром 28 июня император выехал из Ораниенбаума в Петергоф; там его должна была ждать Екатерина, с которой он собирался разделить радость своего праздника. Впоследствии она утверждала, что после именин супруг намеревался отправить ее в монастырь, но с учетом характера Петра III трудно поверить в возможность такого изощренного коварства. Зато сама Екатерина вовсе не дожидалась своего простодушного и доверчивого мужа в Петергофе. Как раз в это время в Казанском соборе ее провозгласили самодержавной императрицей Всероссийской.
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 Кирилла Разумовского — единственного гвардейского полковника среди заговорщиков. Накануне переворота в число его участников вошли М.Н.Волконский и А.Н. Вильбуа. А.И. Глебов составил манифест о восшествии Екатерины на престол. Петра III предали люди, которых он любил и ценил. Переворот был охотно поддержан духовенством, а также Сенатом, обиженным мерами императора по ограничению его власти. Приняв присягу на верность от большинства находившихся в Петербурге гражданских чиновников, офицеров и солдат, Екатерина в ночь на 29 июня двинулась во главе четырнадцатитысячного войска в Петергоф.
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 голштейнский 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 голштейнские войска, готовые его защищать. После этого ему стало настолько плохо, что он послал за священником близлежащей 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 и в сопровождении Елизаветы Воронцовой и Гудовича поехал сдаваться на милость своей супруги. До последних минут верность ему сохраняли Волков и Мельгунов, которые были арестованы. Мерси-Аржанто сообщает, что бывший император «был так огорчен, поражен и робок, что щеки, даже все тело дрожало от страха». Видимо, состояние Петра в неменьшей мере объяснялось нервным перенапряжением и упадком душевных сил. Вечером того же дня его отвезли в загородный императорский дворец Ропшу, где он провел последнюю неделю жизни.