Наступление большевиков началось в 21 час 40 минут, после того как был произведен холостой выстрел с крейсера «Аврора». Был начат ружейный и пулеметный обстрел дворца. Первую попытку штурма защитникам удалось отбить. В 23 часа обстрел возобновился, на этот раз стреляли из артиллерийских орудий Петропавловки.
Между тем оказалось, что задние входы Зимнего практически не охранялись, и через них во дворец начала просачиваться толпа с площади. Началась неразбериха, и защитники уже не могли оказывать серьезного сопротивления. Командующий обороной полковник Ананьин обратился к правительству с заявлением о том, что вынужден сдать дворец, дабы сохранить жизнь его защитникам. Прибывший во дворец вместе с небольшой вооруженной группой Антонов-Овсеенко был впущен в Малую столовую, где заседали министры. Те согласились сдаться, но при этом подчеркнули, что вынуждены сделать это, только подчиняясь силе… Их тут же арестовали и на двух автомобилях перевезли в Петропавловскую крепость.