10月12日，赫鲁晓夫和米高扬一同访问加格拉，去参观世界上第一艘三人飞船的发射。尽管经济遭遇困难，但苏联再次和美国在太空展开竞争。次日，赫鲁晓夫计划会见戴高乐的私人代表加斯顿·帕莱夫斯基。按照计划，两人会谈一小时，然后宴请法国总统的这位助手。来自莫斯科的消息打乱了这个计划。
当赫鲁晓夫在观看东方号三人飞船升空时，勃列日涅夫在莫斯科召集了几乎所有的主席团委员，准备逼他退位。最近几周，克里姆林宫主管意识形态工作的米哈伊尔·苏斯洛夫和赫鲁晓夫的首席经济顾问阿列克谢·柯西金也被卷入这场阴谋之中。次日，克里姆林宫作出决定，要求赫鲁晓夫参加会议。勃列日涅夫给皮聪达打电话，告诉赫鲁晓夫，主席团计划召开会议讨论“许多问题”，而他应该赴会。
赫鲁晓夫并不急于离开皮聪达。“什么急事？我会回去。我会回去的，然后我们再解决问题吧。”在第一书记缺席的情况下，主席团开会讨论一些次要问题，也属正常。10月8日，为即将召开的党的全会组成一个草案委员会，苏斯洛夫曾主持过一次会议。赫鲁晓夫说，他考虑回去出席次日的会议。勃列日涅夫擅长拍马屁，很快他就不再需要这些特长了。但是，这一天，还是忍气吞声地劝赫鲁晓夫回来：“没有你，我们无法作出决定……我们恳求您回来。”
赫鲁晓夫没有给勃列日涅夫打电话。他考虑过这个要求，决定要回去。12日晚，他给法国总统私人代表帕莱夫斯基打电话，通知他取消次日的午宴。借口是第二天上午要回莫斯科为宇航员组织欢迎仪式，只能在上午9点半与他进行短暂会晤。
10月13日上午，赫鲁晓夫的驻地无一丝慌乱。在短暂的会晤中，这位领导人给法国客人留下了极深的印象。他“身体极好，没有一点衰老或患病的迹象”，帕莱夫斯基后来回忆道。赫鲁晓夫似乎极为平静，告诉帕莱夫斯基，苏联可以保持德国的现状。“我们能等，我们有耐心。”他说。赫鲁晓夫只是间接提到了那天他在莫斯科可能要面对的问题。他赞许似的告诉帕莱夫斯基，像戴高乐这样的政治家，只有当他们去世，才能离职。
大约午夜时分，勃列日涅夫从克格勃那里得知，赫鲁晓夫最终要回到莫斯科。弗拉基米尔·谢米恰斯内的情报人员控制了总书记的专机，这也是在部分行使其保护职责。赫鲁晓夫一家乘坐的专机安排妥当后，谢米恰斯内在电话上告诉勃列日涅夫，专机在返航途中。勃列日涅夫要谢米恰斯内在莫斯科机场护送赫鲁晓夫和米高扬到克里姆林宫。参与这出闹剧的其他人，连赫鲁晓夫在内最终有25人，然后将在二楼沙皇时代的老会议厅召开一次主席团会议，他们要终止赫鲁晓夫的政治生命。
在飞机上，赫鲁晓夫注意到了异常，克格勃给他换了一个新的随身警卫。下飞机时，还注意到，机场只有谢米恰斯内和另一个人在迎候他，后者是米高扬的一个格鲁吉亚助手。或许对此有怀疑，赫鲁晓夫问克格勃主席：“其他人呢？”谢米恰斯内答道：“他们都在克里姆林宫等您呢。”后者又问道：“您想先回家还是在克里姆林宫吃午饭？”赫鲁晓夫没有食欲：“让我们到克里姆林宫。”
赫鲁晓夫乘坐自己的吉尔高级轿车，再次和米高扬一道前往克里姆林宫。还不清楚路上这段时间，他们会想出什么招数。难道米高扬知道这个阴谋而刻意向赫鲁晓夫隐瞒了真相？或者就在那一刻，两人才明白这是一场大阴谋？米高扬建议赫鲁晓夫辞去部长会议主席一职，而由柯西金来继任，以此来保留他对党的领导权。赫鲁晓夫将一无所有。“我不想打架，”他告诉米高扬。然后，两个人乘坐电梯来到二楼，主席团会议已经召开了。步入电梯后，还在一楼的赫鲁晓夫的警卫们被解除武器，打发回家了。赫鲁晓夫不再需要他们的保护。
赫鲁晓夫进来时，勃列日涅夫就坐在赫鲁晓夫平时坐的位子上，他为会议定下调子，接下来就要一一列举这位苏联领导人独断专行的事实。赫鲁晓夫的那些同事们大多数都曾是他亲自提拔上来的，一个接一个地批判赫鲁晓夫的领导能力。他们强调，赫鲁晓夫不尊重集体领导制度，和过去赫鲁晓夫对贝利亚和马林科夫的指责如出一辙。
赫鲁晓夫的对手中，亚历山大·谢列平的口才最好。他指责这位被扳倒的领导人大肆宣扬苏联取得伟大成就的神话。“你什么时候知道，所有的事情都很顺利？”他问道，然后喋喋不休地诉说起对国内情况的种种失望。过去10年，经济增长速度下降，国民年收入增速已从11%降至4%。农业方面，从不协调发展，到积压，再到短缺，反反复复。赫鲁晓夫想通过行政重组来激活工业，却又使科技与生产严重脱节。然后，谢列平又把矛头指向赫鲁晓夫的对外政策。他认为和平共处是一种危险的策略。“我们应该对走资本主义道路保持警惕。你，”他对赫鲁晓夫说，仿佛只有后者支持这个政策，“偏离了主要路线。”谢列平列举了赫鲁晓夫在外交上的种种失误，指责他在1956年的苏伊士危机中把莫斯科拖入了不必要的战争边缘。而在柏林问题上，赫鲁晓夫的立场“造成了损失”。谢列平对古巴导弹危机的评价甚至更为尖刻：阿纳德尔计划就是一种“冒险行为”，在那场保护加勒比地区的危机中，赫鲁晓夫在拿“人民的生命来开玩笑”。谢列平驳斥了必须要以冒险方式迫使美国接受苏联立场的这种错误观点。“‘如果苏联和美国达成一致，一切都好办了’这个口号是错误的。”他说道，尽管应该以“更灵活的方式”来实现这一目标。其他人也都支持谢列平，指责赫鲁晓夫因为想和“美国进行一场可怕的竞争”，而使国家走上一条错误的道路。
会议持续到次日。第二天，会议给赫鲁晓夫和他的辩解者米高扬一次发言的机会。对赫鲁晓夫，米高扬既批评也表扬。“外交方面，”米高扬说道，“起初，赫鲁晓夫并不在行，但他很快就熟悉了这个工作。”他提醒与会人员，他曾反对过赫鲁晓夫的柏林政策。“总的来看，”他补充道，“我是对的。”他还回忆说，在古巴导弹危机中，他试图降低发生战争的危险，“我认为向那里派潜艇是一种冒险行为”。然而最后，米高扬拒绝把所有的失误都归咎到赫鲁晓夫一个人身上。他想让赫鲁晓夫辞去一些职务，但不要退出主席团。只有米高扬一人主张要考虑赫鲁晓夫未来的政治角色。“我不能和我的良心做交易，”勃列日涅夫说道，为此事定下了调子，“撤销赫鲁晓夫同志的现有职务，并由其他人分担。”
赫鲁晓夫被迫辞去所有职务。“你们串通起来，向我身上泼粪，而且我还不能反对你们。”赫鲁晓夫说道，话语依旧那么朴实。虽然他很清楚，撤销其职务，并不主要是因为外交政策，但还是对自己的外交工作做了辩解。他说，古巴导弹危机中的冒险是“不可避免的”，并要求与会者就他曾面对的问题进行理性思考，还请求理解他的柏林政策，认为这个政策“一直执行得很好”。但是，这还不是最后的挑战。“我不恳求怜悯，”他说道，“问题已经解决了。”赫鲁晓夫洞察一切，他有勇气来提醒昔日的同事，尽管他是这次事件的受害者，但是，事件本身表明，作为苏共党的第一书记，这是其最大的成就之一。“党终于发展起来了，”他说道，“它能控制每一个人。”然后，按照布尔什维克的做法，他请求辞职。离开会议室时，赫鲁晓夫发现警卫已被解雇，吉尔高级轿车也被换成伏尔加。一瞬间，曾经炙手可热的权力和职位都成为历史。
1964年10月15日，塔斯社报道了赫鲁晓夫下台的消息，西方为之震惊。塔斯社称这次权力交接出于“年龄和身体的原因”，但是，没有一个人相信这种说法。英国驻苏大使把此次事件形容为“政变”，他向伦敦解释道：“为促成这次撤职究竟作过哪些准备，对我们来说是一个秘密，对绝大多数人来说也是秘密，对受害者本人来说更是如此。”
最近几年，每逢赫鲁晓夫生日，都有传言称他要退休。赫鲁晓夫自己也在助长这种推测。1963年4月，《真理报》引用了他的原话：“每个人都知道，我不可能永远担任现在的党政职务。”1964年2月，一位来访的意大利贵宾曾问赫鲁晓夫，是否计划要写自己的回忆录。“或许吧，在他们把我打发走的时候。”他以开玩笑的口吻说道，但却透出一种非凡的洞察力。
对赫鲁晓夫的下台，美国政府的解读是，这主要是否定他在国内的领导能力，而不是象征着冷战会出现新的麻烦。10月16日，林登·约翰逊总统和国家安全小组开会讨论苏联领导人的更替。腊斯克国务卿和汤普森大使强调，华盛顿不应该对苏联领导人的更换表现出任何忧虑，或许这会降低冷战的紧张局势。“毕竟挑起柏林危机和1962年古巴导弹危机的正是赫鲁晓夫。”腊斯克这样认为。约翰逊对此表示赞同：对此事应该“密切关注，但要镇定自若”。
次日，塔斯社宣布，列昂尼德·勃列日涅夫就任党的第一书记，阿列克谢·柯西金就任部长会议主席（苏联总理）。之后，苏联驻美大使多勃雷宁拜会约翰逊总统，直接转达了克里姆林宫新主人的保证：苏联对外政策将不会改变，将继续“实行和平共处，缓和紧张局势”的政策。这打消了美国人的疑虑。
社会主义阵营反应不一。北越驻巴黎代表告诉一个法国代表，因为赫鲁晓夫对东南亚“缺乏兴趣”，长期以来，苏联的政策在那里都被曲解。北越人认为，苏联人并未完全放弃他们作为社会主义国家的责任，而随着赫鲁晓夫的下台，还存在着这样的机会，即莫斯科将会全力支持北越解放南越的斗争。东欧国家则对此保持沉默。
1964年10月13日～14日的主席团会议则转到对后赫鲁晓夫时代苏联对外政策的激烈辩论中。古巴导弹危机以来，对战争和和平问题，赫鲁晓夫和米高扬的看法越来越接近。因此，他疏远了从党的机构中提拔起来的那部分人。这些人只认同赫鲁晓夫的部分策略。他们认可为迫使华盛顿接受苏联利益而做的努力，并且欢迎在第三世界发展新伙伴。然而，谢列平和苏斯洛夫却对和华盛顿之间保持这种象征性的全球伙伴关系心存疑虑。之后几年里，克里姆林宫把赫鲁晓夫对待冷战的复杂战略置于一边，而集中精力制造更多的战略性武器。1960年代末谢列平下台、中苏关系进一步紧张后，勃列日涅夫才重新捡起赫鲁晓夫的方案：在战略层面上搞合作，而在第三世界展开竞争。
冷战中期，亨利·基辛格捕捉到了超级大国领导人进退两难的困境。“当大国变得越来越可怕时，”从政之前还是哈佛大学教授的基辛格写道，“它们也变得抽象、模糊和不可捉摸。”虽然赫鲁晓夫从未接受过高等教育，但他本能地意识到了这一问题。在主导苏联外交政策的那段时间，这位苏联领导人一直试图减少大国的抽象感，让它变得更易触摸、更易接近。