เมื่อสมเด็จพระเจ้าตากสินทรงผนวชแล้ว ๑๒ วัน พระยาสุริยอภัย (ทองอิน) หลานเจ้าพระยาจักรี (ด้วง) ซึ่งโปรดให้ออกไปเป็นเจ้าเมืองนครราชสีมา ยกทัพมาจากนครราชสีมา โดยมิได้รับพระบรมราชานุญาต แต่ในพงศาวดารว่าเจ้าพระยาจักรี (ด้วง) ให้รีบยกเข้ามาฟังเหตุการณ์ในกรุงก่อน (ดูพงศาวดาร ฉบับพระราชหัตถเลขา เล่ม ๓) พระยาสุริยอภัย (ทองอิน) ยกทัพเข้ามาตั้งมั่นอยู่ที่ตำบลบ้านปูน ตอนเหนือพระราชวังหลวง
พวกชาวกรุงเก่าถูกหลอกให้เฮโลเข้ามาทำการกบฏต่อพระเจ้าตากสินของตนเอง แต่ผลแห่งการกบฏนั้น พวกราษฎรคงนึกไม่ถึงว่าจะเป็นเหตุให้พระเจ้าตากสินของตนต้องถูกปลงพระชนม์
ทัพของเจ้าพระยาจักรีมาถึงเมืองธนบุรีในวันแรม ๙ ค่ำ เดือน ๕ หลังจากที่รบกันกลางเมือง มาได้เพียง ๔ วัน ส่วนกองทัพของเจ้าพระยาสุรสีห์ก็ตามกลับมาถึงหลังจากนั้นอีก ๙ วันกองทัพของเจ้าพระยาจักรีมาถึงธนบุรีในตอนเช้าในวันนั้น (ประชุมพงศาวดารภาคที่ ๖๕ พระราชพงศาวดารกรุงธนบุรี ฉบับพันจันทุมาศ หน้า ๑๓๑) และในที่ประชุมขุนนางนั้นก็ได้ปรึกษาโทษของพระเจ้ากรุงธนบุรี จำเลยคือพระเจ้ากรุงธนบุรีก็อาจถูกพันธนาการอยู่ในที่นั้นด้วย (พระราชพงศาวดารกรุงธนบุรี แผ่นดินสมเด็จพระบรมราชาที่ ๔, พระนคร, กองวิชาการ, กระทรวงธรรมการ, ๒๔๗๙., หน้า ๒๐๗)
มีการกล่าวโทษพระองค์ด้วยประการต่าง ๆ ในขณะที่อำนาจที่แท้จริงตกอยู่ในมือของเจ้าพระยาจักรีเสียแล้ว การไต่สวนที่ทำให้ดูประหนึ่งเป็นมติความเห็นชอบของชนชั้นผู้นำก็สิ้นสุดลง จึงมีรับสั่งให้เอาไปประหารชีวิตสำเร็จโทษเสีย เพชฌฆาตกับผู้คุมก็ลากเอาตัวขึ้นแคร่หามไปกับทั้งสังขลิกพันธนาการ (โซ่ตรวน) พระเจ้าตากสินจึงบอกว่าแก่ผู้คุมเพชฌฆาตว่า ตัวเราก็สิ้นบุญจะถึงที่ตายแล้ว ช่วยพาเราแวะเข้าไปหาท่านผู้สำเร็จราชการ (พระยาจักรี) จะขอเจรจาด้วยสักสองสามคำ ผู้คุมก็ให้หามเข้ามา ครั้นพระยาจักรีได้ทอดพระเนตรเห็นก็โบกพระหัตถ์ไม่ให้นำมาเฝ้า ผู้คุมและเพชฌฆาตก็ให้หามออกไปนอกพระราชวัง ถึงหน้าป้อมวิชัยประสิทธิ์ก็ประหารชีวิตตัดศีรษะเสีย ถึงแก่พิราลัย แล้วรับสั่งให้เอาศพไปฝังไว้ ณ วัดบางยี่เรือใต้" (พระราชพงศาวดารกรุงสยาม, พระนคร, โรงพิมพ์หมอบรัดเล, จ.ศ. ๑๒๒๕. หน้า ๖๕๐)
อันที่จริงก่อนที่พระเจ้ากรุงธนบุรีจะถูกปลงพระชนม์นั้น ได้มีขุนนางที่ฝักใฝ่อยู่ข้างพระองค์ได้ถูกประหารไปแล้ว เชิญพระศพไปฝังไว้ที่วัดบางยี่เรือ (วัดอินทาราม) ใกล้ตลาดพลูคลองบางหลวง บรรดาศพข้าราชการที่จงรักภักดีในพระองค์ มีเจ้าพระยานครราชสีมา (บุญคง ต้นสกุลกาญจนาคม) พระยาสรรค์ (ต้นสกุลแพ่งสภา) พระยารามัญวงศ์ (ต้นสกุลศรีเพ็ญ) พระยาพิชัยดาบหัก (ทองดี ต้นสกุลวิชัยขัทคะ และพิชัยกุล) เป็นต้น จำนวนมากกว่า ๕๐ นาย
ครั้นเมื่อเจ้าพระยาสุรสีห์ (กรมพระราชวังบวรมหาสุรสีหนาท) เสด็จกลับมาถึงพระนคร ปรึกษาราชการแผ่นดินด้วยกันกับพี่ชายพระยาจักรีแล้ว ให้ตำรวจไปจับตัวข้าราชการทั้งปวง บรรดาที่มีความผิดขุ่นเคืองกับพระองค์มาแต่ก่อนให้ประหารชีวิตเสียสิ้นทั้งแปดสิบคนเศษ" (พระราชพงศาวดารกรุงสยาม, พระนคร, โรงพิมพ์หมอบรัดเล, จ.ศ. ๑๒๒๕. หน้า ๖๕๒) รวมขุนนางและเจ้านายในราชวงศ์ธนบุรีที่ถูกประหารในการผลัดแผ่นดินครั้งนั้นร่วม ๑๕๐ คน
รัฐประหารครั้งนี้เป็นการรัฐประหารที่นองเลือดที่สุดครั้งหนึ่งในประวัติศาสตร์ไทย เพราะการผลัดแผ่นดินครั้งนี้เป็นการเปลี่ยนแปลงไม่แต่เพียงผู้ครองราชบัลลังก์เท่านั้น แต่เป็นผลบั้นปลายของการต่อสู้กันทางอุดมการณ์มาเป็นเวลาหลายปี (จากหนังสือการเมืองไทยสมัยพระเจ้ากรุงธนบุรี นิธิ เอียวศรีวงศ์)
ต่อจากนั้นพระยาจักรี (ด้วง) ก็ได้ขึ้นดำรงตำแหน่งประมุขไทย เริ่มการสร้างพระราชวังใหม่ที่ฟากตะวันออก ตรงที่ตั้งค่ายมั่นทหารบกของกรุงธนบุรี ริมฉางหลวง ฝ่ายพระราชวงศ์พระเจ้าตากสินที่ยังเหลือ ถ้าเป็นเจ้าชายทรงพระเจริญวัยก็ถูกจับปลงพระชนม์หมด เอาไว้แต่ที่ทรงพระเยาว์ และเจ้าหญิง ถอดพระยศออกแล้วเรียกว่าหม่อม เหมือนกันทุกพระองค์ แม้จนกระทั่งสมเด็จพระราชินี และ สมเด็จพระน้านาง เป็นการถอดอย่างที่ไม่เคยมีมา แต่กระนั้นพระราชวงศ์พระเจ้าตากสินยังคงสืบสายไม่ขาดมาจนถึงทุกวันนี้ (ดูหนังสือไทยต้องจำ และลำดับสกุลเก่า ภาค ๔ ของกรมศิลปากร)