รัฐประหารเกิดขึ้นในเวลา 18.00 น. ของวันที่ 16 กันยายน พ.ศ. 2500 พล.ท.ประภาส จารุเสถียร แม่ทัพภาคที่ 1 (ยศและตำแหน่งในขณะนั้น) ใช้รถถัง รถหุ้มเกราะและกำลังพล กระจายกำลังออกยึดจุดยุทธศาสตร์ต่าง ๆ เช่น หอประชุมกองทัพบก ที่ถนนราชดำเนินนอก เป็นต้น ในส่วนของกองบัญชาการตำรวจกองปราบ ที่สามยอด ซึ่งเป็นที่บัญชาการของ พล.ต.อ.เผ่า ได้รับคำสั่งให้ยึดให้ได้ภายใน 120 นาที ก็สามารถยึดได้โดยเรียบร้อย โดย ร.ท.เชาว์ ดีสุวรรณ ในขณะที่ พล.จ.กฤษณ์ สีวะรา รองแม่ทัพภาคที่ 1 (ยศและตำแหน่งในขณะนั้น) พ.ท.เอิบ แสงฤทธิ์ พ.ต.เรืองศักดิ์ ชุมะสุวรรณ พ.อ.เอื้อม จิรพงษ์ และ ร.อ.ทวิช เปล่งวิทยา นำกำลังตามแผนยุทธศาสตร์ "เข้าตีรังแตน" โดยนำกองกำลังทหารราบที่ 1 พัน 3 บุกเข้าไปยึดวังปารุสกวัน ซึ่งเป็นกองบัญชาการตำรวจนครบาล จากนั้นจึงติดตามด้วยกองกำลังรถถัง ในขณะที่กองทัพเรือ พล.ร.อ.หลวงชำนาญอรรถยุทธ ผู้บัญชาการทหารเรือ ได้สั่งวิทยุเรียกเรือรบ 2 ลำ ยึดท่าวาสุกรี และส่งกำลังส่วนหนึ่งยึดบริเวณหน้าวัดราชาธิวาส เพื่อประสานงานยึดอำนาจ จนกระทั่งการยึดอำนาจผ่านไปอย่างเรียบร้อย [9]

ขณะที่ฝ่าย จอมพล ป. พิบูลสงคราม รู้ล่วงหน้าก่อนเพียงไม่กี่นาที จึงตัดสินใจหลบหนีโดยไม่ต่อสู้ โดยเดินทางไปโดยรถยนต์ประจำตัวนายกรัฐมนตรียี่ห้อฟอร์ด รุ่นธันเดอร์เบิร์ด พร้อมกับคนติดตามเพียง 3 คน เท่านั้นคือ นายฉาย วิโรจน์ศิริ เลขานุการส่วนตัว พ.ต.อ.ชุมพล โลหะชาละ นายตำรวจติดตามตัว และ พ.ท.บุลศักดิ์ วรรณมาศ ทั้งหมดได้หลบหนีไปทางจังหวัดตราด และว่าจ้างเรือประมงลำหนึ่งเดินทางไปที่เกาะกง ประเทศกัมพูชา ก่อนลงเรือ จอมพล ป. ได้ให้ พ.ท.บุลศักดิ์ นำรถไปคืนสำนักนายกรัฐมนตรี และเข้าพบหัวหน้าคณะปฏิวัติ คือ จอมพลสฤษดิ์ ว่า ทั้ง 3 ได้หลบหนีออกนอกประเทศไปแล้ว ขออย่าได้ติดตามไปเลย[10]

ขณะที่ พล.ต.อ.เผ่า ศรียานนท์ ยังมิได้หลบหนีไปเหมือนจอมพล ป. แต่ถูกควบคุมตัวเข้ากองบัญชาการคณะปฏิวัติ พร้อมกับกล่าวว่า "อั๊วมาแล้ว จะเอาอย่างไรก็ว่า" แต่ในวันรุ่งขึ้นก็ต้องเดินทางออกจากประเทศไทยไปยังสวิตเซอร์แลนด์ [11]

รัฐประหารครั้งนี้ยังเป็นครั้งแรกที่ พระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาภูมิพลอดุลยเดช ทรงมีพระบรมราชโองการให้ประกาศกฎอัยการศึกทั่วราชอาณาจักร[12]เป็นครั้งแรกในรัชกาลของพระองค์ โดยไม่ได้เป็นพระบรมราชโองการผ่านผู้สำเร็จราชการแทนพระองค์ โดย จอมพล สฤษดิ์ ธนะรัชต์ เป็นผู้รับสนองพระบรมราชโองการ ประกาศ ณ วันที่ 16 กันยายน พ.ศ. 2500

ในวันที่ 21 กันยายน พ.ศ. 2500 จอมพล สฤษดิ์ ธนะรัชต์ ได้ทูลเกล้า พจน์ สารสิน เป็นนายกรัฐมนตรีคนที่ 9 ของราชอาณาจักรไทย

ในวันที่ 3 ตุลาคม พ.ศ. 2500 23.00 น. ทรงมีพระบรมราชโองการให้เลิกประกาศกฎอัยการศึกในบางจังหวัด โดยทรงยกเลิกกฎอัยการศึกทั้งหมด 46 จังหวัด และให้คงกฎอัยการศึกไว้ทั้งหมด 26 จังหวัด[13]จากทั้งหมด 72 จังหวัด โดยนาย พจน์ สารสิน นายกรัฐมนตรี เป็นผู้รับสนองพระบรมราชโองการ

ในวันที่ 1 มกราคม พ.ศ. 2501 พลโทถนอม กิตติขจร ดำรงตำแหน่งนายกรัฐมนตรีคนที่ 10 ของราชอาณาจักรไทย ตามมติสภาผู้แทนราษฎร

ในวันที่ 10 มกราคม พ.ศ. 2501 6.00 น.ทรงมีพระบรมราชโองการให้เลิกประกาศกฎอัยการศึก ใน 26 จังหวัด ที่ยังคงให้ประกาศกฎอัยการศึกไว้[14]เป็นอันจบเหตุการณ์เนื่องจากยกเลิกใช้กฎอัยการศึกทั่วราชอาณาจักรในวันและเวลาดังกล่าว โดยมีพลโท ถนอม กิตติขจร นายกรัฐมนตรี เป็นผู้รับสนองพระบรมราชโองการ