พระยาทรงสุรเดชได้ถูกชวนให้เป็นสมาชิกคณะราษฎร ขณะที่เดินทางไปศึกษาดูงานการทหารที่ทวีปยุโรป พร้อมกับ พ.อ.พระยาศรีสิทธิสงคราม แต่ยังมิได้ตกปากรับคำในขณะนั้น เพียงแต่เป็นการสนทนาเบื้องต้นเพื่อหยั่งรู้ความคิดก่อนจากทางร้อยโทประยูร ภมรมนตรี ซึ่งเป็นผู้ที่ให้การต้อนรับและรับรองทั้งคู่ขณะอยู่ยังประเทศฝรั่งเศส[8]

โดยพระยาทรงสุรเดชได้บันทึกจากความทรงจำถึงเหตุการณ์ต่าง ๆ ช่วงนี้ไว้อย่างละเอียด ซึ่งในการเปลี่ยนแปลงการปกครอง พ.ศ. 2475 นั้น พระยาทรงสุรเดชเป็นผู้ที่ประสานให้นายทหารระดับสูงที่มีแนวคิดเดียวกัน เช่น พ.อ.พระยาพหลพลพยุหเสนา เข้าร่วมกับคณะราษฎร ซึ่งตัวพระยาทรงสุรเดชเองเคยพูดว่า "พวกข้าราชการชั้นผู้ใหญ่แทบทั้งหมด มุ่งแต่เพียงทำตัวให้โปรดปรานไว้เนื้อเชื่อใจจากพระเจ้าแผ่นดินไม่ว่าด้วยวิธีใด ตลอดทั้งวิธีที่ต้องสละเกียรติยศด้วย..."

ในแผนการเปลี่ยนแปลงการปกครองนั้น การประชุมในประเทศไทย คณะราษฎรได้ประชุมกัน 2 ครั้ง ครั้งแรกประชุมกันเพียงไม่กี่เดือนก่อนลงมือ ที่บ้านพักของพระยาทรงสุรเดชที่ถนนประดิพัทธ์ ใกล้กับย่านสะพานควาย[9] และครั้งที่ 2 ที่บ้านพักของ ร.ท.ประยูร ภมรมนตรี ที่ถนนเศรษฐศิริ ซึ่งพระยาทรงสุรเดชในตอนแรกนั้นได้เสนอแผนการว่า ใช้ทหารยึดพระที่นั่งอัมพรสถานซึ่งเป็นที่ประทับของรัชกาลที่ 7 ในเวลากลางคืน และขอถวายความอารักขาแก่ในหลวงในฐานองค์ประกัน แล้วบังคับให้ลงพระปรมาภิไธยพระราชทานรัฐธรรมนูญแก่ปวงชนชาวไทย แต่แผนนี้มีผู้ไม่เห็นด้วย เพราะระหว่างที่บุกเข้าไปอาจเกิดการปะทะกันกับทหารมหาดเล็กจนถึงขึ้นนองเลือด และผู้ก่อการได้ตกลงในหลักการของการปฏิวัติครั้งนี้คือ จะต้องพยายามมิให้เกิดการนองเลือด จะต้องไม่กระเทือนต่อพระเกียรติยศของพระมหากษัตริย์เกินควร และตกลงว่าจะทำการปฏิวัติในช่วงเวลาที่พระบาทสมเด็จพระปกเกล้าเจ้าอยู่หัวเสด็จแปรพระราชฐานประทับที่พระราชวังไกลกังวล

การประชุมกันหนที่ 2 ที่บ้านของร้อยโทประยูร ในวันที่ 12 มิถุนายน พระยาทรงสุรเดชจึงเสนอแผนการทั้งหมด 3 แผน

• แผนที่ 1 ให้นัดประชุมบรรดานายทหารที่กรมเสนาธิการ หรือที่กรมยุทธศึกษา หรือที่ศาลาว่าการกลาโหม เพื่อประกาศว่าจะเปลี่ยนแปลงการปกครองแผ่นดิน ผู้ใดไม่เห็นด้วยก็จะเข้าควบคุมตัวไว้ ในระหว่างนั้นคณะผู้ก่อการฝ่ายทหารเรือและพลเรือนแยกย้ายกันไปคุมตัวเจ้านายและข้าราชการชั้นผู้ใหญ่มากักตัวไว้ในพระที่นั่งอนันตสมาคมหรือบนเรือรบ

• แผนที่ 2 ให้จัดส่งหน่วยต่าง ๆ ไปคุมตามวังเจ้านายและข้าราชการคนสำคัญ ในขณะเดียวกันให้จัดหน่วยออกทำการตัดการสื่อสารติดต่อ เช่น โทรเลข โทรศัพท์ และให้จัดการรวบรวมกำลังทหารไปชุมนุม ณ ลานพระบรมรูปทรงม้า โดยวิธีออกคำสั่งลวงในตอนเช้าตรู่แล้วประกาศเปลี่ยนแปลงการปกครองต่อหน้าทหารเหล่านั้น และจัดนายทหารฝ่ายก่อการเข้าควบคุมบังคับบัญชาทหารเหล่านั้นแทนผู้บังคับบัญชาคนเดิมแล้ว ทหารก็คงจะฟังคำสั่งผู้บังคับบัญชาคนใหม่ต่อไป การณ์ก็คงสำเร็จลงโดยเรียบร้อยโดยมิต้องมีการต่อสู้จนเลือดนองแผ่นดิน

• แผนที่ 3 ให้หน่วยทหารหนึ่งจู่โจมเข้าไปในวังบางขุนพรหม และเข้าจับกุมพระองค์กรมพระนครสวรรค์วรพินิตมาประทับที่พระที่นั่งอนันตสมาคม เพื่อเป็นประกันความปลอดภัยของคณะราษฎร และให้ดำเนินการอย่างอื่น ๆ ตามที่กล่าวแล้วในแผนที่ 2

ซึ่งทั้งหมดเห็นด้วยกับแผนที่ 3 นี้ จึงตกลงทำตามนี้ และได้กำหนดวันดำเนินการในชั้นแรกว่าให้เป็นวันอาทิตย์ที่ 19 มิถุนายน

โอกาสในการลงมือยึดอำนาจการปกครองนั้น ต้องอยู่ในช่วงระยะที่พระบาทสมเด็จพระปกเกล้าเจ้าอยู่หัว เสด็จพระราชดำเนินแปรพระราชฐานไปหัวหิน เพื่อทอดพระเนตรการทดลองการยิงปืนใหญ่ ซึ่งมีนายทหารชั้นผู้ใหญ่ แม่ทัพ นายกอง ไปร่วมในการประลองอาวุธในครั้งนั้นเป็นส่วนมาก ส่วนมากที่จะคุม จอมพล สมเด็จเจ้าฟ้ากรมพระนครสวรรค์วรพินิตนั้น คณะผู้ก่อการเปลี่ยนแปลงการปกครองได้สืบทราบมาว่า จอมพล สมเด็จเจ้าฟ้ากรมพระนครสวรรค์วรพินิตมักจะเสด็จประพาสลำน้ำเจ้าพระยาในวันเสาร์และจะเสด็จกลับในวันจันทร์ ถ้าดำเนินการในวันอาทิตย์ก็อาจจะไม่ได้พระองค์ท่านมาเป็นองค์ประกันจึงได้เลื่อนการปฏิบัติการไปเป็นวันอังคารที่ 21 มิถุนายน

ต่อมาที่ประชุมได้ตกลงเลื่อนวันปฏิบัติการไปเป็นวันพฤหัสบดีที่ 23 มิถุนายน เนื่องจากได้รับรายงานว่า ในวันอังคาร เรือรบยามฝั่งยังไม่กลับ หากตกลงทำการในวันพฤหัสบดีที่ 23 ก็จะขาดทหารเรือ

ในวันพุธที่ 22 มิถุนายน ก็มีรายงานว่า บรรดาสมาชิกคณะราษฎรยังไม่พร้อมที่จะทำการยึดอำนาจในวันที่ 23 มิถุนายน ดังนั้นวันปฏิบัติจึงเลื่อนไปวันศุกร์ที่ 24 มิถุนายน แทน แต่ทั้งหมดก็ยังไม่รู้ว่า พระยาทรงสุรเดชจะนำทหารออกมาใช้ยึดอำนาจได้อย่างไร

บทบาทของพระยาทรงสุรเดชในวันที่เปลี่ยนแปลงการปกครองนั้น คือ การปล่อยข่าวลวงและล่อหลอก เพื่อชักนำให้ทหารแต่ละกรมกองมาชุมนุมร่วมกันที่ลานพระบรมรูปทรงม้า เพื่อให้เข้าร่วมในการเปลี่ยนแปลงการปกครอง อย่างไม่ขัดขืน

ในเวลาเย็นของวันที่ 23 มิถุนายน พระยาทรงสุรเดชในฐานะเป็นอาจารย์ใหญ่ฝ่ายวิชาทหาร ของโรงเรียนนายร้อยทหารบก ได้ไปพบ พันโท พระเหี้ยมใจหาญ ผู้บังคับการโรงเรียนนายร้อย เพื่อขอให้นำนักเรียนนายร้อยทั้งหมดพร้อมอาววุธปืนบรรจุกระสุนไปที่ลานหน้าพระบรมรูปทรงม้าในตอนเช้าตรู่วันที่ 24 มิถุนายน เพื่อฝึกยุทธวิธีทหารราบต่อสู้รถถัง โดยจะใช้นักเรียนนายร้อยทำหน้าที่ทหารราบและนำรถถังจากกรมทหารม้ามาใช้ในการฝึก ต่อจากนั้นได้ไปพบผู้บังคับกองพันทหารราบที่รู้จักอีกสองคน เพื่อขอร้องให้นำทหารไปฝึกหน้าลานพระบรมรูปทรงม้าเวลาหกโมงเช้า และไปพบผู้บังคับการกองพันทหารช่างที่บางซื่อ เพื่อขอร้องให้นำทหารมาที่สนามหน้าโรงทหารในเวลาหกโมงเช้าเช่นกัน เพื่อจะนำไปฝึกต่อสู้กับรถถัง

เช้าวันที่ 24 มิถุนายน คุณหญิงทรงสุรเดช ผู้เป็นภริยาตื่นตั้งแต่เวลา 04.00 น. และได้พบเจอพระยาทรงสุรเดชรับประทานข้าวผัดที่เหลือจากมื้อเมื่อคืน ก่อนออกจากบ้านไปพร้อมกับ ร้อยเอกหลวงทัศนัยนิยมศึก (ทัศนัย มิตรภักดี) และนายทหารม้าอีก 3 คน ที่มารับถึงบ้านตามแผนที่วางไว้ ไปยังตำบลนัดหมายที่ทางรถไฟสายเหนือตัดกับถนนประดิพัทธ์ (ปัจจุบัน คือ สี่แยกเทอดดำริ) ห่างจากบ้านไปเพียง 200 เมตร ด้วยการเดินเท้า เพื่อสมทบกับกลุ่มของ พระยาพหลพลพยุหเสนา พระประศาสน์พิทยายุทธ หลวงพิบูลสงคราม (แปลก ขีตตะสังคะ) และพวก[10] โดยได้บอกกับคุณหญิงทรงสุรเดช ตั้งแต่คืนก่อนว่าจะไปดู "การสวนสนามที่หน้าพระลาน"

จากนั้นแผนการนำทหารออกมาใช้เปลี่ยนแปลงการปกครองของพระยาทรงสุรเดชก็ได้เปิดเผยออกมาเป็นลำดับ ทั้งหมดในเวลา 05.00 น. ก็ได้มุ่งหน้าไปยังกรมทหารม้าที่ 1 รักษาพระองค์ วงเวียนเกียกกาย (ปัจจุบันคือ สี่แยกเกียกกาย) มีเป้าหมายเพื่อยึดรถเกราะ ยึดรถรบ ยึดคลังกระสุน และหลอกพาทหารเดินมาขึ้นรถบรรทุกของกรมทหารปืนใหญ่ ภายใต้การบังคับบัญชาของพระยาฤทธิอัคเนย์ ที่อยู่ใกล้กัน ก่อนจะเคลื่อนขบวนไปลานพระบรมรูปทรงม้า

เมื่อไปถึงกรมทหารม้า ด่านแรกที่จะต้องฝ่าไปให้ได้คือกองรักษาการณ์ที่ด้านหน้า สามทหารเสือ คือ พระยาทรงสุรเดช พระยาพหลพลพยุหเสนา และพระประศาสน์พิยายุทธ เข้าไปในกองรักษาการณ์ ถามหาตัวผู้บังคับการกองรักษาการณ์ แล้วผู้ก่อการก็พูดด้วยเสียงดุว่า

"เวลานี้เกิดกบฏกลางเมืองขึ้นแล้ว มัวแต่หลับนอนอยู่ได้ เอารถเกราะ รถรบ เอาทหารออกไปช่วยเดี๋ยวนี้"

ฝ่ายผู้บังคับการที่เป็นนายทหารชั้นผู้น้อย เมื่อเผชิญหน้ากับนายทหารชั้นผู้ใหญ่ซึ่งเคยเป็นอาจารย์มาก่อน ก็หลงเชื่ออย่างสนิทใจ ชั่วอึดใจเดียวเสียงเป่าแตรแจ้งสัญญาณเหตุสำคัญก็ปลุกทหารทั้งกรมตื่นขึ้นมาด้วยความโกลาหล

ช่วงเวลาแห่งความระทึกนี้ นายทหารผู้ก่อการต่าง ๆ ที่ได้รับมอบหมายหน้าที่ก็แยกย้ายกันไป

พระยาพหลพลพยุหเสนา ใช้กรรไกรตัดเหล็กที่พระประศาสน์พิยายุทธเตรียมมาตัดโซ่กุญแจคลังกระสุนได้สำเร็จ ช่วยกันลำเลียงกระสุนออกมาอย่างรวดเร็ว

พระประศาสน์พิทยายุทธ ตรงไปยังโรงเก็บรถพร้อม ร.อ.หลวงทัศนัยนิยมศึก เร่งระดมให้ทหารสตาร์ตรถถัง รถเกราะ ออกมาโดยเร็ว

ร้อยเอกหลวงรณสิทธิชัย และพรรคพวกพากันขึ้นไปยังโรงทหาร เร่งให้ทหารแต่งเครื่องแบบโดยเร็วด้วยคำสั่งที่ว่า "ทหารไม่ต้องล้างหน้า แต่งเครื่องแบบทันที"

ไม่กี่นาทีต่อมา ทหารม้าก็พร้อมแล้วที่ออกเดินทางไปขึ้นรถบรรทุกทหารภายในกรมทหารปืนใหญ่ที่ได้นัดแนะเอาไว้แล้ว พระยาฤทธิอัคเนย์สั่งให้ทหารปืนใหญ่ขึ้นรถ พระประศาสน์พิทยายุทธ นำขบวนรถถัง รถเกราะ รถขนกระสุนและปืนกลเบาราว 15 คัน ออกมาจากที่ตั้งกรม นำหน้าขบวนรถทั้งหมด มุ่งหน้าตรงไปยังลานพระบรมรูปทรงม้า สมทบกับทหารหน่วยอื่น ๆ ที่นัดหมายกันไว้

เมื่อขบวนรถบรรทุกทหารแล่นผ่านกองพันทหารช่าง ซึ่งเหล่าทหารกำลังฝึกอยู่บนสนามหน้ากองพัน พระยาทรงสุรเดชก็กวักมือพลางตะโกนเรียกให้ขึ้นรถ ผู้บังคับการทหารช่างเข้าใจว่าได้เวลาที่จะไปฝึกการต่อสู้รถถังตามที่ตกลงกันเมื่อเย็นวาน จึงสั่งทหารช่างขึ้นรถบรรทุกไปด้วย

ปฏิบัติการยึดกรมทหารม้าที่ 1 รักษาพระองค์สำเร็จลงอย่างรวดเร็วตามความคาดหมายภายในเวลาไม่ถึงครึ่งชั่วโมง มีคำถามมากมายว่า เพราะเหตุใดกองรักษาการณ์กรมทหารม้าจึงไม่ได้ทำอะไรเลย ทำไมยามคลังกระสุนจึงปล่อยให้พระยาพหลพลพยุหเสนา งัดประตูเอากระสุนออกไปได้ ทำไมนายทหารในกรมนี้จึงปล่อยให้นายทหารที่อื่นนำทหารของตัวออกไปได้โดยไม่แสดงปฏิกิริยาอันใดเลย

สำหรับคำตอบของคำถามนี้ พระยาทรงสุรเดชได้บันทึกเหตุการณ์ครั้งนี้ไว้ชัดเจนว่า

[11]