Точкой невозврата стал переход Волынского польского гвардейского полка на сторону восставших рабочих.
К Волынскому полку первыми присоединились запасные батальоны Литовского и Преображенского полков вместе с 6-м сапёрным батальоном, а во второй половине дня — Семёновский и Измайловский полки. К вечеру бунтовали уже около 67 тыс. солдат Петроградского гарнизона. Это не были гвардейские части, верные императору. Настоящую гвардию отправили на фронт. В запасных частях проходили подготовку новобранцы.
Под звуки «Рабочей Марсельезы», которую играли военные оркестры, офицеры либо разбежались, либо были убиты. Попутно восставшие солдаты избивали и расстреливали полицейских. В 13.00 был захвачен Арсенал, и боевое оружие стало бесконтрольно раздаваться демонстрантам. Затем восставшие подожгли здание Окружного суда. У соединившихся сил рабочих и солдат возникла мысль освободить заключённых в тюрьмах.
В 14.00 солдаты заняли здание Государственной думы — Таврический дворец. Депутаты оказались в затруднительном положении. С одной стороны, работа Госдумы была приостановлена царём. С другой, — необходимо было перейти от слов к делу. В результате депутаты продолжили заседание в виде «частных совещаний», по результатам которых был создан Временный комитет Государственной думы.
В состав Комитета вошли октябрист М. В. Родзянко, назначенный председателем, члены «Прогрессивного блока» В. В. Шульгин, П. Н. Милюков и некоторые другие, а также меньшевик Н. С. Чхеидзе и «трудовик» А.Ф. Керенский. Решение о создании Комитета было принято не без колебаний. Думское большинство опасалось идти против пока ещё законной власти.
В этот же день бюро Центрального Комитета РСДРП опубликовало манифест «Ко всем гражданам России». В нём выдвигались требования установления демократической республики, введения 8-часового рабочего дня, конфискации помещичьих земель и прекращения империалистической войны. Лидеры фракции меньшевиков в Государственной думе, представители солдат и рабочих объявили в Таврическом дворце о создании Временного исполнительного комитета Петросовета, в который из членов временного комитета вошёл только Н. С. Чхеидзе. Так Россия вступила в период «двоевластия».
В 16.00 состоялось последнее заседание царского правительства в Мариинском дворце, на котором было принято решение отправить царю телеграмму с предложением о самороспуске Совета министров и создании «ответственного министерства». В 19.00 о положении в Петрограде снова доложили Николаю II. Император заявил, что все перемены в составе правительства он откладывает до возвращения в Царское Село.
В это же время в Петрограде председатель Госдумы Родзянко начал убеждать великого князя Михаила Александровича, младшего брата Николая II, принять на себя диктаторские полномочия в пределах Петрограда, отправить правительство в отставку и просить царя о даровании ответственного министерства.
В 20.00 эту идею поддержал и премьер-министр царского правительства князь Голицын. На фоне беспорядков и властного паралича было разгромлено Петроградское охранное отделение и как «немецкий» сожжён дом министра императорского двора Фредерикса.