Среди наиболее активных заговорщиков – гвардейские офицеры во главе с пятью братьями Орловыми, шеф Измайловского полка, президент Академии наук граф К. Разумовский; воспитатель великого князя Павла, опытный дипломат Н. Панин и его брат генерал П. Панин, их племянница княгиня Е. Дашкова, родная сестра фаворитки Петра III M. Воронцова, и ряд других.
У каждого из них были свои резоны способствовать перевороту. Так, Николай Панин рассчитывал, что Екатерина станет лишь регентшей до совершеннолетия его воспитанника Павла. Братья Орловы надеялись, что возведение на трон Екатерины возвысит их, а может быть, даже приведет к ее браку с Григорием. Юная и романтически настроенная Дашкова просто сочувствовала обиженной и униженной мужем императрице, а Разумовский, как утверждала впоследствии сама Екатерина, был в нее слегка влюблен.
Вокруг Петра III быстро сгущалась атмосфера заговора, что ощущал даже его ближайший друг король Фридрих, настоятельно рекомендовавший ему принять меры безопасности Но Петр отвечал королю: «Если б русские хотели сделать зло, то могли бы уже давно его сделать, видя, что я не принимаю никаких предосторожностей. Могу вас уверить, что, когда умеешь обходиться с ними, то можно быть покойным на их счет».
План братьев Орловых заключался в том, чтобы по испытанному образцу петербургских дворцовых революций захватить императора в его покоях, объявить его низложенным и тем самым ограничить событие пределами императорского дворца. Этот план не был исполнен, поскольку Петр III неожиданно покинул Петербург и отправился в летнюю резиденцию Ораниенбаум на Финском заливе, примерно в 40 километрах от города. Из-за этого выступление против императора было перенесено из стен дворца в гвардейские казармы и на улицы Петербурга.
Срок переворота невольно определил сам Петр III, отдав гвардии приказ готовиться к выступлению в поход против Дании. Кроме того, приходилось считаться с возможностью ареста Екатерины и заключения ее в монастырь.
12 июня император отправился в Ораниенбаум, оставив жену и сына в столице. 17 июня Екатерина также покинула Петербург и прибыла в Петергоф, поручив Павла заботам воспитателя Николая Панина. 19 июня императрица посетила мужа в Ораниенбауме, где присутствовала на театральном представлении, во время которого Петр играл на скрипке. Затем она вернулась в Петергоф.
В ночь на 28 июня Екатерина была разбужена Алексеем Орловым, братом ее любовника, сообщившим, что необходимо действовать немедленно, поскольку арестован один из заговорщиков, гвардейский офицер Петр Пассек. Орлов произнес исторические слова: «Пора вставать, все готово, чтобы провозгласить вас1»
Чуть раньше Федор Орлов сообщил Кириллу Разумовскому, что брат Алексей собирается ехать за Екатериной в Петергоф, чтобы доставить ее в Измайловский полк, где много расположенных к императрице офицеров. Разумовский как президент Академии наук тут же распорядился привести академическую типографию в полную готовность, чтобы начать печатать манифест о восшествии на престол императрицы Екатерины II. Поскольку Екатерина не хотела довольствоваться ролью регентши при своем сыне, в манифесте, опережая события, говорилось, что ее верноподданные уже принесли ей клятву верности как «императрице и самодержице всея Руси».
Из Петергофа Екатерина помчалась в Петербург с такой скоростью, что по дороге пришлось менять загнанных лошадей. В столице ее встретил Григорий Орлов и доставил прямо в казармы Измайловского гвардейского полка.
У слободы Измайловского полка коляску окружили гвардейцы, оглушительно крича здравицы «матушке». Тут же священник привел солдат и офицеров к присяге, и во главе с графом Разумовским измайловцы двинулись вслед за коляской к казармам Семеновского полка. Вскоре к ним присоединились пре-ображенцы.
При выезде на Невский проспект императрицу приветствовала в полном составе Конная гвардия с развернутым знаменем Народ встречал ее радостными криками: кабатчикам было велено отпускать выпивку бесплатно. Город был охвачен всеобщим ликованием, и лишь несколько офицеров остались верны присяге Петру III. Они были арестованы, но с благополучным завершением переворота освобождены и по большей части продолжили службу новой государыне.
В 9 часов утра Екатерина в сопровождении группы офицеров прибыла в переполненный Казанский собор. Высшее руководство последовало примеру полкового клира, и под звон колоколов церковь благословила вновь провозглашенную императрицу как самодержицу Екатерину II. Затем собравшиеся в Зимнем дворце высшие сановники империи, члены Сената и Святейшего синода, придворные чины и генералы принесли присягу императрице.