Đầu tháng 8-1945, nhận định thời cơ ngàn năm có một đã đến, mọi sự chuẩn bị đều đã sẵn sàng, sức mạnh đoàn kết hiệp đồng của toàn dân đã lên cao đến đỉnh điểm, Đảng và Chủ tịch Hồ Chí Minh kêu gọi đồng bào cả nước, triệu người như một, nhất tề đứng lên giành chính quyền trên cả nước.
Ngày 13-8, nghe tin Nhật đầu hàng Đồng minh, Chủ tịch Hồ Chí Minh chỉ thị hỏa tốc yêu cầu tổng khởi nghĩa. Ngày 14-8, Hội nghị toàn quốc của Đảng họp ở Tân Trào quyết định tổng khởi nghĩa và thi hành 10 chính sách của Việt Minh. Ngày 15-8-1945, Đại hội Quốc dân họp ở Tân Trào tán thành chủ trương tổng khởi nghĩa và bầu ra Ủy ban giải phóng dân tộc Việt Nam, tức Chính phủ lâm thời do Chủ tịch Hồ Chí Minh đứng đầu.
Tại Hà Nội, không khí sục sôi bắt đầu từ chiều 17-8, Tổng hội Viên chức (một tổ chức của chính quyền và lực lượng thân Nhật thành lập ra) tổ chức mít tinh tại Nhà hát Lớn để ủng hộ chính phủ thân Nhật Trần Trọng Kim, Ủy ban khởi nghĩa Hà Nội đã biến cuộc mít tinh đó thành cuộc mít tinh ủng hộ Việt Minh. Cờ quẻ ly (lá cờ có nền màu vàng, giữa là sọc quẻ ly màu đỏ) của chính phủ Trần Trọng Kim bị hạ xuống, nhanh chóng được thay bằng một lá cờ đỏ sao vàng rộng lớn rủ xuống từ tầng trên Nhà hát Lớn. Các đội viên tuyên truyền Việt Minh được bố trí bí mật xông lên giành lấy diễn đàn, thông báo tin Nhật đầu hàng và kêu gọi nhân dân ủng hộ Việt Minh khởi nghĩa. Sau đó, quần chúng tự động xếp thành hàng, do các đội tự vệ chiến đấu dẫn đầu đi từ Nhà hát Lớn qua các phố trung tâm, hô vang khẩu hiệu: “Ủng hộ Việt Minh”, “Đả đảo bù nhìn”, “Việt Nam độc lập”.
Chính quyền bù nhìn không dám chống cự, quân Nhật không dám can thiệp. Sự kiện ngày 17-8 cho thấy sự yếu thế của chính quyền thân Nhật và sự chia rẽ sâu sắc giữa các nhóm phái khi họ không có khả năng tập hợp quần chúng. Quần chúng nhân dân Hà Nội đã tin và hướng về ngọn cờ cứu nước của Mặt trận Việt Minh, giúp Ủy ban khởi nghĩa ở Hà Nội càng vững tin vào lực lượng quần chúng và thấy rõ tình hình của địch. Nhận thấy thời cơ giành chính quyền cho cách mạng đã chín muồi, Ủy ban khởi nghĩa ở Hà Nội quyết định phát động nhân dân Hà Nội nổi dậy giành chính quyền vào ngày 19-8-1945.
Theo kế hoạch của Ủy ban khởi nghĩa Hà Nội, ngày 18-8 ở hầu hết các xã ngoại thành đều biểu tình tuần hành và chính quyền cách mạng được thành lập. Các đồn lính nhỏ lẻ ở ngoại thành đều bị quần chúng cách mạng chiếm giữ, nhân dân nô nức sắm cờ, vũ khí chuẩn bị tiến vào thành phố tham gia giành chính quyền. Điều đó tạo thuận lợi cho khởi nghĩa ở nội thành vào ngày hôm sau.
Từ sáng sớm ngày 19-8, Hà Nội đỏ rực màu cờ cách mạng. Hàng vạn nông dân, dân nghèo, với các vũ khí thô sơ từ vùng Láng, Mọc kéo ra chiếm đại lý Hoàn Long, tuyên bố thành lập chính quyền cách mạng khu vực Ngã tư Sở, mở đầu cho cuộc khởi nghĩa ở nội thành. Hàng vạn quần chúng nhân dân ngoại thành, từ các huyện Thanh Trì, Thường Tín, Phú Xuyên, Hoài Đức, Đan Phượng (Hà Đông), Gia Lâm (Bắc Ninh) mang theo cờ Việt Minh, gậy gộc, mã tấu, dao phát bờ... tiến vào nội thành với sức mạnh như thác đổ. Tất cả đều tập hợp trước Nhà hát Lớn.
Cả thành phố Hà Nội như rung chuyển trong tiếng hô khẩu hiệu: “Ủng hộ Việt Minh”, “Chính quyền nhân dân cách mạng”, “Cách mạng thành công muôn năm”, “Việt Nam hoàn toàn độc lập”... Đúng 11 giờ, trước hơn 20 vạn người tập trung trước Nhà hát Lớn, đồng chí Nguyễn Huy Khôi, đại diện Ủy ban khởi nghĩa đọc lời hiệu triệu của Việt Minh trước đồng bào trong giờ phút trọng đại của lịch sử dân tộc. Lời hiệu triệu nhấn mạnh: “Chỉ có Chính phủ nhân dân cách mạng mới đủ uy tín và năng lực thực hiện nguyện vọng tha thiết chung của toàn thể dân tộc ta là độc lập, tự do và hạnh phúc. Chỉ có Chính phủ nhân dân cách mạng mới đủ uy tín và năng lực để lãnh đạo dân tộc ta đến một tương lai rạng rỡ, xứng đáng với quá khứ oanh liệt còn ghi chép trong quốc sử”.
Sau đó, cuộc mít tinh biến thành cuộc biểu tình vũ trang giành chính quyền. Quần chúng cách mạng có các đơn vị vũ trang tự vệ dẫn đầu chia thành 2 khối lớn đi chiếm các vị trí trọng yếu: Phủ Khâm sai, Sở Bưu điện, Sở Cảnh sát... Tại Phủ Khâm sai, cơ quan đầu não của chính phủ bù nhìn, quân dân Hà Nội đã tước vũ khí lính bảo an và phân phát cho tự vệ, nhanh chóng làm chủ toàn bộ khu vực này. Lính bảo vệ phủ đã hạ vũ khí mà không có bất kỳ hành động kháng cự nào trước sức mạnh của nhân dân Hà Nội. Tiếp đó, hầu hết các công sở chính quyền địch đều nhanh chóng về tay nhân dân trừ Đài phát thanh Bạch Mai và Ngân hàng Đông Dương. Đến tối ngày 19-8, khởi nghĩa giành chính quyền ở Hà Nội đã kết thúc thắng lợi hoàn toàn.
Điểm nổi bật của khởi nghĩa ở Hà Nội là do chính sự tự lực của nhân dân Hà Nội, cũng chưa hề có lực lượng vũ trang và cũng không có sự hỗ trợ của đội quân giải phóng từ các chiến khu hay Trung ương, tất cả đều tiến hành theo chính cương của Việt Minh. Sáng 20-8-1945, tại Vườn hoa Con Cóc (còn gọi là Vườn hoa Diên Hồng), Ủy ban nhân dân cách mạng lâm thời Bắc bộ do đồng chí Nguyễn Khang làm Chủ tịch, Ủy ban nhân dân lâm thời Hà Nội do đồng chí Nguyễn Huy Khôi làm Chủ tịch, chính thức ra mắt nhân dân.
