1 (13) марта 1881 года, в воскресенье, Александр II выехал из Зимнего дворца в Михайловский манеж, где собирался принять участие в разводе караулов. Несмотря на постоянные покушения, его сопровождал лишь обычный конвой — шесть конных казаков охраны, а также полицмейстер полковник Дворжицкий, начальник охранной стражи Отдельного корпуса жандармов капитан Кох и командир лейб-гвардии Терского казачьего эскадрона собственного Его Величества конвоя ротмистр Кулебякин, следовавшие каждый в отдельных санях за царской каретой. Каретой управлял лейб-кучер Фрол Сергеев, рядом с ним на козлах располагался ординарец унтер-офицер Кузьма Мачнев.
Согласно плану, разработанному Исполнительным Комитетом, в лавке на Малой Садовой Богдановича и Якимову сменил опытный динамитчик Михаил Фроленко. Он ждал сигнала Якимовой о проезде царя по Невскому проспекту, готовый замкнуть электрическую цепь взрывателя, зная, что ему скорее всего придется погибнуть под развалинами дома. Другие террористы расположились по обоим концам Малой Садовой улицы: Рысаков и Емельянов на углу Невского проспекта и у Екатерининского сквера, Михайлов и Гриневицкий — со стороны Большой Итальянской улицы и Манежной площади. Перовская стояла на углу Михайловской площади и Большой Итальянской, обозревая все возможные маршруты императорского кортежа.
Однако, кортеж императора, выехав из Зимнего дворца, проехал по Инженерной улице прямо в Манеж, тем самым миновав заминированную Малую Садовую. И после развода караулов император поехал не по Малой Садовой к Невскому проспекту, как предполагали народовольцы, а по Большой Итальянской в Михайловский дворец к своей кузине, великой княгине Екатерине Михайловне. Обратный короткий путь в Зимний дворец тоже пролегал бы по Инженерной улице, затем по набережной Екатерининского канала: мина на Малой Садовой становилась совершенно бесполезной. В этой ситуации Перовская срочно меняет план: условным сигналом она приказывает «метальщикам» переместиться сначала к Михайловской улице, а потом занять позиции на набережной Екатерининского канала. При этом Михайлов «почувствовал, что не сможет бросить бомбу» и вернулся домой. Сама Перовская по Невскому проспекту переходит Казанский мост, идет по противоположному берегу канала и останавливается напротив места предстоящего покушения. Номера метальщиков перепутались, и на пути императорской кареты первым оказался Рысаков.
Приблизительно в 14:15 царский кортеж повернул с Инженерной улицы на набережную, направляясь к Театральному мосту, когда Рысаков бросил бомбу под лошадей кареты императора. Взрывом были ранены казаки конвоя и некоторые лица поблизости, разрушена задняя стенка кареты, но сам император не пострадал. Покушавшийся бросился по набережной канала по направлению к Невскому проспекту, но почти сразу его нагнал и сбил с ног жандармский капитан Кох
Лейб-кучер Сергеев, ротмистр Кулебякин и полковник Дворжицкий убеждали императора как можно скорее покинуть место покушения, но Александр «чувствовал, что военное достоинство требует посмотреть на раненых черкесов и сказать им несколько слов». Он подошёл к задержанному Рысакову и спросил его о чём-то, потом пошёл обратно к месту взрыва, и тут стоявший у решётки канала и не замеченный охраной Гриневицкий вдруг бросил под ноги императору бомбу, завёрнутую в салфетку.
Взрывная волна отбросила Александра II на землю, из раздробленных ног хлестала кровь. Упавший император прошептал: «Несите меня во дворец… там… умереть…» То были последние слышанные свидетелями слова умирающего. По распоряжению прибывшего из Михайловского дворца великого князя Михаила Николаевича истекающего кровью императора повезли в Зимний дворец.
Государя внесли на руках в его кабинет и положили на постель. Лейб-медик Боткин на вопрос наследника, долго ли проживёт император, ответил: «От 10 до 15 минут». В 15 часов 35 минут на флагштоке Зимнего дворца был спущен императорский штандарт, оповестив население Санкт-Петербурга о смерти императора Александра II.