Осенью 1880 года народовольцы начали готовить новое, наиболее значительное предприятие — седьмое по счету покушение на Александра II. Заговором руководил Желябов, его ближайшей помощницей была Перовская. В ноябре 1880 года создается специальный отряд для наблюдений за всеми выездами царя: необходимо было установить точно их время и маршруты. Наблюдения велись ежедневно по определенному расписанию. Софья Львовна руководила наблюдательным отрядом, записывала результаты наблюдений, сама участвовала в них.
Вести наблюдения было нелегко. Царь, напуганный неоднократными покушениями, соблюдал строжайшие предосторожности. Во всех поездках, помимо охраны, его сопровождал верный слуга — полицеймейстер Дворжицкий.
«Покойный государь, — вспоминал позднее Дворжицкий, — по возвращении с поездки весьма часто призывал меня и отдавал приказания о наведении справок о замеченных им на улицах подозрительных лицах… Случалось часто, что при докладе его величеству о задержании при выезде государя подозрительной личности, он замечал: „Верно, у него скверная рожа…“»
Вскоре наблюдатели установили, что наиболее удобным и верным местом для покушения является Малая Садовая улица — царь ездит по ней регулярно. Народовольцы прибегают к старому, испытанному еще в Одессе способу: в декабре 1880 года «супруги Кобозевы» (Ю. Богданович и А. Якимова) снимают помещение под сырную лавку. Из нее террористы начинают вести подкоп под Малую Садовую улицу, чтобы еще раз попытаться взорвать при проезде царскую карету. В случае неудачи казнь совершит один из четырех расставленных неподалеку бомбометателей. Независимо от них Желябов закончит дело ударом кинжала. Таков был план народовольцев.
В феврале 1881 года Исполнительный комитет утвердил непосредственных исполнителей покушения — бомбометателей: Т. Михайлова, И. Гриневицкого, И. Емельянова, Н. Рысакова. Работы на Малой Садовой близились к концу, «техник» партии Н. Кибальчич вместе с товарищами готовил и испытывал бомбы…
Все планы были нарушены внезапным арестом Желябова 27 февраля. На экстренном заседании Исполнительного комитета, собравшемся на следующий день, обсуждался единственный вопрос: что делать дальше? Было решено единодушно: действовать — и незамедлительно. Завтра в воскресенье, когда царь выезжает на развод в манеж, необходимо довести дело до конца. Промедление может погубить все. В партии идут повальные аресты: предатели Гольденберг и Окладский направили полицию по верным следам. Со дня на день можно ждать ареста оставшихся на свободе членов Исполнительного комитета. Наконец, еще один тревожный сигнал: в лавку сыров Кобозевых явилась полиция для «санитарного осмотра»…
Достойной заместительницей Желябова стала Софья Львовна Перовская. Арест лучшего друга, любимого человека был страшным ударом для нее. Сраженная горем, Перовская заболела и едва ходила, однако это не помешало ей развить самую бурную деятельность. Довести планы Желябова до конца, осуществить приговор Александру II было лучшее, что она могла сделать для друга.
В. Фигнер, участвовавшая в покушении 1 марта, считала, что «не будь Перовской с ее хладнокровием и несравненной обдуманностью и распорядительностью, факт цареубийства мог и не пасть на этот день. День спасла она и заплатила за него жизнью».
28 февраля в 5 часов вечера на квартиру Фигнер явились Кибальчич, Суханов и Грачевский для приготовления бомб. Фигнер и Перовская присутствовали при этом. Мужчины работали всю ночь. К 8 часам утра две бомбы были готовы. Их немедленно унесла Перовская на Тележную улицу, где в конспиративной квартире ее ждали бомбометатели. Два других снаряда принес позже сам Кибальчич. Перовская раздала бомбы, сделала окончательные указания метальщикам, на конверте начертила план местности и наметила на нем место каждого. Это было 1 марта 1881 года.
В этот день Александр II, выехавший из дворца, изменил свой маршрут и не поехал по Невскому проспекту и Малой Садовой, где был готов подкоп и заложена мина. Узнав об этом, Перовская немедленно дала сигнал бомбометателям переместиться на набережную Екатерининского канала.
И. И. Гриневицкий.
Царская карета, окруженная конвоем казаков, в сопровождении полицеймейстера Двбржицкого как всегда ехала очень быстро. В 2 часа 30 минут она поравнялась с Рысаковым, стоявшим на набережной. Раздался взрыв: Рысаков бросил бомбу, но неудачно, царь уцелел и остался невредим. Террориста схватили. В этот момент раздался новый взрыв. Когда дым рассеялся, все увидели распростертое на земле окровавленное тело царя. Он был смертельно ранен. На месте взрыва был обнаружен другой окровавленный человек — бомбометатель Гриневицкий, умерший спустя восемь часов.