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.
Петр надеялся уехать вместе с Воронцовой в Голштейн. Не может не тронуть письмо, написанное им Екатерине II перед отречением: «Ваше величество, если Вы совершенно не желаете смерти человеку, который достаточно уже несчастен, имейте жалость ко мне и оставьте мне мое единственное утешение Елизавету Романовну. Вы этим сделаете большее милосердие Вашего царствования». Можно, впрочем, понять и Екатерину, у которой это письмо не вызвало добрых чувств. Она с сарказмом сообщила в письме С.А. Понятовскому, что супруг попросил у нее «свою любовницу, собаку, негра и скрипку», но она «ему послала только три последние вещи».
Говорили, что в Ропше бывший император плакал, беспокоясь о судьбе голштейнцев и других верных ему людей; «ему казалось совершенно невероятным, что гетман граф Разумовский мог ему изменить. Скорее он допускал, что тот пострадал из-за него». Охрану Петра Екатерина II поручила Алексею Орлову и еще четверым гвардейским офицерам, которым, по ее словам, приказала «сделать жизнь этому государю настолько приятной, насколько они могли». Как выполнялось это распоряжение, видно из письма бывшего императора своей супруге от 30 июня: «Сударыня, я прошу Ваше Величество быть уверенной во мне и не отказать снять караулы от второй комнаты, так как комната, в которой я нахожусь, так мала, что я едва могу в ней двигаться. И так как Вам известно, что я всегда хожу по комнате, и то от этого распухнут у меня ноги. Еще я Вас прошу не приказывать, чтобы офицеры находились в той же комнате со мной, когда я имею естественные надобности — это невозможно для меня». Второго июня Орлов с варварским цинизмом сообщал императрице: «Урод наш очень занемог, и схватила ево нечаеная колика, и я опасен, штоб он севоднишную ночь не умер, а болше опасаюсь чтоб не ожил. Первая опасность для того, что он все здор говорит, и нам ето несколко весело, а другая опасность, што он дествително для нас всех опасен для тово, что он иногда так отзывается, хотя в прежнем состоянии быть». Видимо, Петр не осознавал угрозу своей жизни, говоря смертельным врагам о желании вернуть престол. Впрочем, он был заведомо обречен, поскольку сам факт его существования представлял опасность для победителей. Орлов и его товарищи не стали дожидаться исхода болезни узника: 6 июля 1762 года бывший император Петр III был жестоко убит.