当沙皇与皇后在行为举止上产生日益严重的分歧时，沙皇对皇后的迫害也在一天天加强。1762年2月10日，在彼得的生日宴会上，彼得突然命令叶卡捷琳娜把当初女皇授予的那枚勋章交给他的情妇。这让现场所有人都大为吃惊，因为只有皇后或皇储夫人才能拥有这枚勋章。看来彼得是在向外人展示他要废掉现任皇后、立自己的情妇为新皇后的决心了。叶卡捷琳娜虽然恼火，但为了不让彼得发现自己日益大起来的肚皮，不得不忍了这口气，于是他遵照沙皇的旨意将勋章交了出去。这立即博得了在场人士的同情。眼看自己产期临近，叶卡捷琳娜别无他法，便假称韧带扭伤躲在自己的寝宫内静待分娩。同时，她的仆人还给她想出了躲开彼得注意的分娩好办法：当皇后生产时，在皇宫附近放一把火，彼得爱看热闹，必定会被救火现场引开，这样，他就不会注意到这边皇后产子的事情了。果然，此计奏效，叶卡捷琳娜顺利生下一个男孩，也即后来的鲍布林斯基伯爵。孩子被迅速带出宫抚养。这时候的叶卡捷琳娜再无顾虑，但她不得不面对彼得新一轮的侮辱与迫害。
1762年6月9日，彼得为庆祝俄国和普鲁士所签订和约的生效，特意举办盛大的招待会。在这个400多人参加的宴会上，他的着装令现场人大跌眼镜。人们看到的彼得一身普鲁士军装，身上的普鲁士黑鹰大绶带异常显眼，以至于那些俄罗斯军界人士恨不得钻到桌子底下去。彼得自然不理会在场人的感觉，他端起酒杯要大家首先为腓特烈大帝的康泰干杯，然后才是为俄国皇室成员的健康干杯。现场400多人唯有叶卡捷琳娜没有响应他的号召，仍坐在那里不动。当被彼得粗暴地质问时，她答道：“难道我不是皇室成员吗？我在等待大家来向我敬酒。”恼羞成怒的彼得竟然当众大骂妻子是个白痴，还大放厥词，说除了他自己和两位荷尔斯泰因亲王外，再没有什么人是皇室成员。宴会后，他还气急败坏地要把叶卡捷琳娜囚禁在舒吕塞尔堡要塞，幸亏他的叔叔、荷尔斯泰因的乔治亲王及时阻止了他。这件事让叶卡捷琳娜彻底意识到她再也不能等了，于是，她和手下人开始活动起来。此时，叶卡捷琳娜正在游说军界人士。已当上炮兵军需官的格里戈利也利用职务之便，用手中的钱财物资大量收买下层军官，他的那四个兄弟也在禁卫军中扩张势力。哥萨克首领西里利·拉祖莫夫斯基也加入她的阵营。当然，还有那位足智多谋的尼基塔·帕尼。叶卡捷琳娜也四处筹集政变款项，最终，她从一名英国商人那里借得10万卢布，她感激之余也对英国的态度发生了大转变。
就在皇后准备政变的过程中，彼得沙皇却和情妇于1762年6月12日到奥拉宁堡去避暑了。曾有人提醒他嗅一嗅圣彼得堡的内战气息，劝他此刻应该呆在宫中。彼得才不信这些，他还打算几天后去波莫瑞攻打丹麦人。被人们劝得烦了，他终于命令叶卡捷琳娜搬到与自己相邻的彼得霍夫宫去。叶卡捷琳娜明知彼得不怀好意，便将保罗托付给帕尼，自己一个人前往彼得霍夫宫。到了那里，她在海边选择了一个僻静的小房子住下来，暗中与支持者联系。不久，她得知彼得将于6月29日来彼得霍夫，这使叶卡捷琳娜极为忐忑。恰在此时，奥尔洛夫五兄弟的伙伴帕塞克上尉被捕了，假如他不忍酷刑而招出政变密谋，那么一切将毁于一旦。叶卡捷琳娜的心立即提到了嗓子眼儿。她旋即下令，立即行动。
6月28日深夜，格里戈利的弟弟费尔多·奥尔洛夫趁着夜色来到西里利·拉祖莫夫斯基的家里，他要求担任国家科学院院长的拉祖莫夫斯基赶快去科学院印刷厂厂长家里，快速印刷废黜彼得三世而由叶卡捷琳娜登基的告示。与此同时，五兄弟中的阿列克谢·奥尔洛夫星夜来到彼得霍夫宫，叫醒叶卡捷琳娜，带她回到圣彼得堡。叶卡捷琳娜被支持者簇拥着在军中行走，拉祖莫夫斯基拿出告示宣布叶卡捷琳娜为女皇。女皇队列所到之处，神父开道，军官和士兵们纷纷表示效忠于她。6月29日一大早，叶卡捷琳娜一行前往喀山大教堂，一路上，市民争先将自己对女皇的拥戴告诉叶卡捷琳娜，以至于女皇的马车时走时停。到达目的地后，诺夫哥罗德大主教正式宣布叶卡捷琳娜为女皇，称叶卡捷琳娜二世。
至此，叶卡捷琳娜政变成功，但她还不能安枕，因为彼得尚有海军和与丹麦交战的部队撑腰。于是，她决定亲率军队前往彼得霍夫宫。
当彼得来到空无一人的彼得霍夫宫时，暴怒的他又获悉叶卡捷琳娜称帝的消息，顿时忽而呼天抢地，忽而要兴兵讨伐。当他终于被手下人劝住，欲前往部队求援时，他又在军队那里碰了一鼻子灰，被他整惨了的军队拒绝了他的命令。这时候，彼得身上胆小怕事的本性充分流露出来，在昔日皇后的大军来到时，他立即在退位诏书上签了字，随后他被软禁在洛普沙别墅。7月14日，叶卡捷琳娜二世胜利凯旋，回到圣彼得堡。7月18日，她在杜马再次诏告天下：彼得退位，叶卡捷琳娜登基。就在当天晚上，彼得三世神秘死亡。叶卡捷琳娜再下达第三份公告，宣布彼得三世因病去世。对于彼得三世的突然离世，俄罗斯人有不少猜疑，但毕竟这位死去的沙皇并没有留给他们好的印象，所以，他们没有多少悲伤，单等着看新任女皇要实施怎样的新政了。
