การเดินขบวนครั้งใหญ่จึงเริ่มต้นที่มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ เมื่อวันที่ 13 ตุลาคม ออกไปตามถนนราชดำเนิน สู่ลานพระบรมรูปทรงม้า มีแกนนำเป็นนักศึกษาและมีประชาชนเข้าร่วมด้วยจำนวนมาก (คาดการกันว่ามีราว 500,000 คน) ระหว่างนั้น แกนนำนักศึกษาเข้าพบเจรจากับรัฐบาล และบางส่วนเข้าเฝ้าพระบาทสมเด็จพระบรมชนกาธิเบศร มหาภูมิพลอดุลยเดชมหาราช บรมนาถบพิตร พ.ต.อ.วสิษฐ เดชกุญชรเป็นผู้อัญเชิญพระบรมราโชวาทของพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวมาอ่านให้แก่ผู้ชุมนุมฟัง ในเวลา 05.30 น. ของวันที่ 14 ตุลาคม 2516 จนได้ข้อยุติเพียงพอที่จะสลายตัว แต่ด้วยอุปสรรคทางการสื่อสาร และมวลชนที่มีอยู่เป็นจำนวนมากไม่อาจควบคุมดูแลได้หมด จึงเกิดการปะทะกัน ระหว่างกำลังตำรวจปราบจลาจลกับผู้ชุมนุม ที่บริเวณถนนราชวิถีตัดกับถนนพระราม 5 ช่วงหน้าพระตำหนักจิตรลดารโหฐาน ซึ่งเป็นทางที่กลุ่มผู้ชุมนุมจะใช้เดินทางกลับ แต่เจ้าหน้าที่ตำรวจนำโดย พลตำรวจโท มนต์ชัย พันธุ์คงชื่น ผู้บัญชาการตำรวจนครบาล พลตำรวจตรี ณรงค์ มหานนท์ รองผู้บัญชาการตำรวจนครบาล[7] และ พล.ต.ต.พิชัย ชำนาญไพร กลับไม่ยอมให้ผ่าน เนื่องจากรับคำสั่งจาก พล.ต.ท.ประจวบ สุนทรางกูร รองอธิบดีกรมตำรวจฝ่ายกิจการพิเศษ เมื่อเวลาประมาณ 06:05 นาฬิกา ของวันอาทิตย์ที่ 14 ตุลาคม 2516 ได้เกิดการปะทะขึ้น โดยการปะทะกันดังกล่าว บานปลายเป็นการจลาจล และลุกลามไปยังท้องสนามหลวง มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ และถนนราชดำเนินตลอดสาย รวมถึงย่านใกล้เคียง ในช่วงเช้า กรมประชาสัมพันธ์ กรมสรรพากร โรงแรมรัตนโกสินทร์ กองสลากกินแบ่งรัฐบาล กองตำรวจนครบาลผ่านฟ้า ถูกวางเพลิง

โดยในเวลาบ่าย พบเฮลิคอปเตอร์ลำหนึ่ง บินวนอยู่เหนือเหตุการณ์ และมีการยิงปืนลงมา เพื่อสลายการชุมนุม ผู้ที่อยู่ในเหตุการณ์เชื่อว่า บุคคลที่ยิงปืนลงมานั้นคือ พันเอก ณรงค์ กิตติขจร บุตรชาย ของจอมพล ถนอม กิตติขจร และบุตรเขยของจอมพล ประภาส จารุเสถียร ซึ่งคาดหมายว่าจะสืบทอดอำนาจ ต่อจากจอมพล ถนอม กิตติขจร และจอมพล ประภาส จารุเสถียร

ต่อมาในเวลาหัวค่ำ สถานีวิทยุกระจายเสียงแห่งประเทศไทยประกาศว่า จอมพล ถนอม กิตติขจร ขอลาออกจากตำแหน่งแล้ว และมีพระบรมราชโองการแต่งตั้งนายสัญญา ธรรมศักดิ์ อธิการบดีมหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ ให้ดำรงตำแหน่งนายกรัฐมนตรี จากนั้นไม่นาน พระบาทสมเด็จพระบรมชนกาธิเบศร มหาภูมิพลอดุลยเดชมหาราช บรมนาถบพิตร และสมเด็จพระศรีนครินทราบรมราชชนนี มีพระราชดำรัสทางโทรทัศน์รวมการเฉพาะกิจแห่งประเทศไทยด้วยพระองค์เอง แต่เหตุการณ์ยังไม่สงบ กลุ่มทหารเปิดฉากยิงปืนเข้าใส่นักศึกษาและประชาชนอีกครั้ง หลังจากพระราชดำรัสทางโทรทัศน์เพียงหนึ่งชั่วโมง นักศึกษาพยายามพุ่งรถบัสที่ไม่มีคนขับ เข้าใส่กองบัญชาการตำรวจนครบาล โดยผู้ชุมนุมนับพันยังไม่วางใจในสถานการณ์ จึงประกาศท้าทายกฎอัยการศึก ในเวลา 22:00 นาฬิกา และประกาศว่าจะปักหลักชุมนุม ที่อนุสาวรีย์ประชาธิปไตยตลอดทั้งคืน เพื่อให้แน่ใจว่าไม่ได้ถูกหลอกอีกครั้ง จนกระทั่งในเวลาหัวค่ำของวันที่ 15 ตุลาคม ได้มีประกาศว่าจอมพลถนอม กิตติขจร จอมพลประภาส จารุเสถียร และพันเอกณรงค์ กิตติขจร เดินทางออกนอกประเทศแล้ว ทางราชการออกประกาศของผู้อำนวยการรักษาความปลอดภัยของประเทศ พลเอก กฤษณ์ สีวะรา[8]ให้ประชาชนนักศึกษากลับเข้าบ้านภายในเวลา 20.00 น. เหตุการณ์จึงค่อยสงบลง และวันที่ 16 ตุลาคม 2516 ผู้ชุมนุมและประชาชน ต่างพากันช่วยทำความสะอาด พื้นถนนและสถานที่ต่างๆ ซึ่งได้รับความเสียหาย[9]ในส่วนของรัฐบาล สัญญา ธรรมศักดิ์ได้มีการแต่งตั้งพลเอกกฤษณ์ สีวะรา[10]เป็นผู้อำนวยการรักษาความสงบ อย่างเป็นทางการ