Царевна Софья угощает стрельцов. Гравюра XIX в.
Как правительница государства, Софья участвовала во всех официальных мероприятиях, постепенно оттеснив братьев: Петра с Натальей Кирилловной отправили в подмосковное село Преображенское, подальше с глаз долой, а вход в сени царя Ивана завалили дровами – он, осторожно поддерживаемый боярами, появлялся на людях только в торжественных случаях. Изображение Софьи начали чеканить на наградных золотых, а 6 января 1686 года за ней был официально закреплён титул самодержицы. Наиболее рьяные сторонники Софьи строили планы венчания регентши на царство. Чтобы закрепить своё положение, по инициативе Софьи Ивана женят на Прасковье Салтыковой. Надеясь на рождение наследника, Софья намеревалась продлить своё регентство при новом малолетнем царе.
Но в Преображенском подрастал Пётр, и это не могло не беспокоить сестру. В январе 1689 года по настоянию матери, Натальи Кирилловны, Пётр женился. По сути, он становился совершеннолетним. Положение Софьи становилось критическим.
В ночь с 7 на 8 августа 1689 года Пётр был внезапно разбужен в Преображенском известием о сборе стрелецких полков в Москве. Царь в одной рубашке вскочил на коня и в сопровождении трёх человек ночью ускакал в Троице-Сергиев монастырь. Последствием этого испуга остался тик, выступавший на лице Петра в минуты раздражения. Троице-Сергиев стал опорной базой сопротивления Софье. Постепенно туда перебрались многие бояре и служилые люди, пришли петровские потешные полки, остался посланный Софьей с мирными предложениями патриарх Иоаким. Видя, что силы её тают с каждым днём и внезапный переворот потерпел крах, Софья решила выиграть время и попыталась склонить брата к миру. Когда все средства были исчерпаны, она сама двинулась к Троице-Сергиеву монастырю. В пути царевну остановили, и ей пришлось вернуться в Москву. Пётр был непоколебим: «третьему зазорному лицу» у престола делать было нечего. Сторонники Софьи были разгромлены. Саму царевну, обвинённую в измене, отправили на жительство в Московский Новодевичий монастырь.
Там она жила в отдельной келье, имела женскую прислугу, могла общаться с приезжавшими к ней сёстрами. Но всё изменилось в 1698 году, когда Пётр путешествовал по Европе с Великим посольством. В Москве вновь разгорелось пламя мятежа. Четыре стрелецких полка, посланные на литовскую границу, взбунтовались и двинулись к столице. Но недалеко от Москвы на реке Истре они были остановлены и разбиты нарождавшейся русской регулярной армией. Мятеж был подавлен ещё до возвращения Петра, прервавшего из-за этого свою поездку. Вернувшись, царь учинил стрельцам розыск и жестокую расправу. Софью обвинили в том, что она написала стрельцам «призывное письмо», а они составляли ей челобитные с просьбой идти на царство. Пётр лично допрашивал сестру, но она всё отрицала. Наконец, 11 октября над царевной был устроен суд. Десять дней спустя она была пострижена в том же Новодевичьем монастыре с именем Сусанна. В самом монастыре были повешены 195 стрельцов, причём трое из них с челобитными в руках непосредственно у окон кельи, где жила Софья. Фактически Софья находилась в монастыре под арестом и усиленной охраной. За ней осуществлялся строгий надзор, и посещения её были жёстко ограничены. Так бывшая правительница России прожила ещё почти шесть лет, незадолго перед смертью приняв схиму с прежним своим именем Софья.