ภายหลังการสวรรคตของจักรพรรดินีนาถเอลิซาเบธในวันที่ 5 มกราคม ค.ศ. 1762 [แบบเก่า: 25 ธันวาคม ค.ศ. 1761] แกรนด์ดยุคปีเตอร์แห่งฮ็อลชไตน์-ก็อททร็อร์พ ก็ขึ้นเสวยราชบัลลังก์รัสเซียเป็นจักรพรรดิปีเตอร์ที่ 3 และแคทเธอรีนขึ้นเป็นจักรพรรดินีมเหสีแห่งรัสเซีย พระจักรพรรดิวงศ์ทั้งสองพระองค์แปรพระราชฐานไปพำนัก ณ พระราชวังฤดูหนาว, กรุงเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก

พระจริยวัตรและพระราโชบายของจักรพรรดิองค์ใหม่ถูกมองว่าแปลกพิลึก เช่น ความนิยมเทิดทูนต่อพระเจ้าฟรีดริชที่ 2 แห่งปรัสเซีย ซึ่งผิดแปลกไปจากที่พระนางแคทเธอรีนทรงได้รับการปลูกฝังมา นอกจากนี้จักรพรรดิยังทรงทำการเข้าแทรกแซงความขัดแย้งระหว่างดัชชีแห่งฮ็อลชไตน์ของพระองค์กับเดนมาร์กในเรื่องการแย่งดินแดนดัชชีแห่งชเลสวิช

มีทฤษฎีกล่าวว่าในคืนวันที่ 28 มิถุนายน ค.ศ. 1762 พระนางแคทเธอรีนต้องทรงลุกจากพระบรรทมกะทันหันและทรงได้รับข่าวว่าหนึ่งในผู้สบคบคิดการกบฏของพระนางถูกจับโดยพระราชสวามีผู้เหินห่าง และทรงได้รับคำชี้แนะว่าแผนการกบฏจำเป็นต้องดำเนินการโดยทันที พระนางเสด็จพระราชดำเนินออกจากพระราชวังที่ประทับไปยังกรมทหารอิสมาอีลอฟสกี ที่ซึ่งทรงกล่าวต่อคณะนายทหารให้ช่วยปกป้องพระนางจากจักรพรรดิผู้เป็นพระสวามี จากนั้นเสด็จพระราชดำเนินพร้อมด้วยกองทหารไปยังค่ายซีเมนอฟสกีที่ซึ่งคณะนักบวชรอคอยพระนางอยู่แล้ว คณะนักบวชได้ทำพิธีสถาปนาแคทเธอรีนขึ้นเป็นผู้ครองราชบัลลังก์รัสเซียแต่เพียงผู้เดียว พระนางบัญชาให้เข้าจับกุมตัวจักรพรรดิปีเตอร์มาลงพระนามาภิไธยในเอกสารการสละราชสมบัติเพื่อไม่ให้มีข้อกังขาเรื่องสิทธิ์อันชอบธรรมในการขึ้นครองราชย์ของพระนาง ไม่นานหลังจากถูกจับกุม อดีตจักรพรรดิถูกประหารชีวิตด้วยการรัดคอโดยราชองครักษ์ส่วนพระองค์ มีการคาดการณ์ว่าการประหารนี้เป็นพระราชโองการของพระนางแคทเธอรีน ซึ่งยังไม่มีหลักฐานได้ใช้อ้างอิงทฤษฎีนี้ได้อย่างสมบูรณ์[8][9]

รัสเซียและปรัสเซียเข้าประหัตประหารกันในสงครามเจ็ดปี (ค.ศ. 1756 - 1763) จนกระทั่งจักรพรรดิปีเตอร์ที่ 3 ขึ้นครองราชย์ พระองค์ทรงยืนกรานที่จะสนับสนุนพระเจ้าฟรีดริชที่ 2 แห่งปรัสเซีย ผู้ซึ่งครั้งหนึ่งเคยได้ทอดพระเนตรการเข้ายึดกรุงเบอร์ลินของกองทัพรัสเซียในปี ค.ศ. 1760 แต่บัดนี้ทรงชี้แนะว่ารัสเซียและปรัสเซียควรมีการปักปันพื้นที่ของโปแลนด์ร่วมกัน ทำให้แรงสนับสนุนพระองค์จากเหล่าขุนนางลดลงไปมาก

ในเดือนกรกฎาคม ค.ศ. 1762 เป็นเวลาเพียงหกเดือนที่จักรพรรดิปีเตอร์ทรงก่อความผิดพลาดทางการเมืองไว้แล้วเสด็จหลีกหนีจากข้าราชบริพารและพระญาติจากฮ็อลชไตน์ไปยังพระราชวังอารานีเยนบาม พระมเหสีแคทเธอรีนเองก็ทรงละไว้เบื้องหลัง ณ กรุงเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก ในวันที่ 8 และ 9 กรกฎาคม ราชองครักษ์แห่งราชสำนักรัสเซียก่อนการกบฏ ขับจักรพรรดิออกจากราชบัลลังก์ และราชาภิเษกแกรนด์ดัชเชสพระมเหสีขึ้นเป็นจักรพรรดินีนาถ การรัฐประหารปราศจากการหลั่งเลือดครั้งนี้จึงสำเร็จลุล่วง

วันที่ 17 กรกฎาคม ค.ศ. 1762 เพียงแปดวันหลังจากการรัฐประหารและหกเดือนหลังจากขึ้นครองราชย์ จักรพรรดิปีเตอร์ที่ 3 เสด็จสวรรคต ณ พระราชวังร็อบชา ด้วยน้ำมือของอะเล็กเซ ออร์ลอฟ (น้องชายของกริกอรี ออร์ลอฟ นายทหารคนโปรดของพระจักรพรรดินีนาถและผู้ร่วมก่อการรัฐประหาร) นักประวัติศาสตร์ไม่พบหลักฐานถึงการมีส่วนร่วมในการปลงพระชนม์ครั้งนี้ของพระนางเจ้าแคทเธอรีน[10] นอกจากนี้ยังปรากฏว่ามีผู้อ้างสิทธิ์เหนือราชบัลลังก์อื่นด้วยนั่นคือ อดีตจักรพรรดิอีวานที่ 6 (ค.ศ. 1740 - 1764) ซึ่งถูกจองจำอยู่ ณ คุกชลึสเซลบูร์กกลางทะเลสาบลาโดกาตั้งแต่มีพระชนมายุ 6 พรรษา และเจ้าหญิงทาราคานอวา (ค.ศ. 1753 - 1775) อีวานที่ 6 ถูกปลงพระชนม์ระหว่างความพยายามในการปลดปล่อยพระองค์โดยฝ่ายกบฏต่อต้านพระนางเจ้าแคทเธอรีนซึ่งต่อมาประสบความล้มเหลว เป็นที่ปรากฏแน่ชัดว่าองค์พระจักรพรรดินีนาถทรงมีรับสั่งอย่างเข้มงวดให้ปลงพระชนม์พระบรมวงศ์องค์ใดก็ตามที่ตกเป็นเฉลยฝ่ายต่อต้านพระนาง ดังนั้นความบริสุทธิ์ของพระนางจากการปลงพระชนม์อิวานที่ 6 นี้จึงยังเป็นที่กังขา (อิวานที่ 6 ทรงเคยถูกมองว่าวิกลจริตเพราะถูกคุมขังอย่างโดดเดียวเป็นเวลาหลายปี หลายฝ่ายจึงเกรงว่าอาจไม่เหมาะที่จะขึ้นเป็นจักรพรรดิอีกครั้ง แม้จะสามารถให้ขึ้นเป็นเพียงแค่ประมุขโดยไร้ซึ่งพระราชอำนาจก็ตาม)

แม้ว่าพระนางแคทเธอรีนจะมิได้สืบเชื้อพระโลหิตจากจักรพรรดิรัสเซียองค์ก่อนพระองค์ใดเลย และสืบราชบัลลังก์ต่อจากพระราชสวามีในฐานะพระจักรพรรดินีนาถ โดยรูปแบบนี้เคยเกิดขึ้นกับพระจักรพรรดินีนาถแคทเธอรีนที่ 1 มาแล้ว ซึ่งพระองค์ประสูติเป็นสตรีจากชนชั้นแรงงานในดินแดนฝั่งทะเลบอลติกตะวันออกของสวีเดน แล้วได้ขึ้นครองราชย์ต่อจากจักรพรรดิปีเตอร์มหาราชผู้เป็นพระสวามีในปี ค.ศ. 1725

นักประวัติศาสตร์พากันถกเถียงถึงพระราชฐานะทางเทคนิคของพระนางเจ้าแคทเธอรีนว่าทรงเป็นผู้สำเร็จราชการแทนหรือผู้ช่วงชิงพระราชอำนาจ ในช่วง ค.ศ. 1770 - 1779 กลุ่มขุนนางผู้สนิทชิดเชื้อกับพระราชโอรสของพระนาง แกรนด์ดยุคพอล (นิกิตา ปายิน และคณะของเขา) เคยพิจารณาที่จะก่อรัฐประหารล้มราชบัลลังก์พระนางแคทเธอรีนแล้วราชาภิเษกแกรนด์ดยุคพอลล์ขึ้นเป็นจักรพรรดิองค์ใหม่ ซึ่งวาดฝันให้จักรพรรดิองค์ใหม่อยู่ภายใต้ระบอบราชาธิปไตยภายใต้รัฐธรรมนูญ[11] อย่างไรก็ตามแนวคิดดังกล่าวไม่ได้เกิดขึ้นจริง และพระนางเจ้าแคทเธอรีนครองราชสมบัติจวบจนพระองค์เสด็จสวรรคต