Президиум ЦК КПСС собрался для решения вопросе о смещении Хрущева уже 11 октября 1964 года. На заседании отсутствовал А. Микоян, который отдыхал на своей даче, расположенной неподалеку от дачи Хрущева (вопреки существующей версии, Микоян в этот день не знал о подготовке решения). Не участвовал в заседании Президиума ЦК КПСС и Ф. Р. Козлов, который был серьезно болен. Кроме членов и кандидатов в члены Президиума на заседании присутствовал министр иностранных дел А. А. Громыко и несколько секретарей обкомов (всего двадцать два человека). Хотя министр обороны Р. Я. Малиновский, Председатель КГБ В. Е. Семичастный и другие руководители армии, государственной безопасности и милиции были полностью в курсе всех событий и поддерживали готовившееся решение, тем не менее были приняты специальные меры, чтобы изолировать Хрущева с момента, когда началась подготовка заседания и до принятия окончательного решения. В зарубежной прессе неожиданное падение Хрущева вызвало многочисленные сенсационные сообщения о заговоре, перевороте и т. д. В действительности организаторы решения стремились именно к тому, чтобы провести все мероприятия в пределах конституционных и партийных норм и избежать каких бы то ни было волнений в стране. Первоначально было даже предусмотрено, что Хрущев мог остаться членом ЦК КПСС, поскольку избрание членов ЦК – это прерогатива съезда партии. Однако его поведение во время заседания не оставило ему этой возможности. Основной доклад на заседании пленума был поручен Суслову, хотя на пост Первого секретаря предполагалось избрать Л. И. Брежнева. Суслову доверили главный доклад именно потому, что он не был обязан своей карьерой Хрущеву и входил в состав Президиума ЦК еще в сталинские времена. Большинство других членов Президиума ЦК выдвинул сам Хрущев, и многие из них в недавнем прошлом слишком активно участвовали в реализации различных проектов и реорганизаций, которые стали теперь предметом критики. Именно поэтому ни доклад Суслова, ни другие материалы этого заседания никогда не печатались, и на проводившихся после пленума ЦК собраниях актива обсуждались лишь очень немногие из обвинений в адрес Хрущева. Избранный Первым секретарем ЦК КПСС Брежнев сказал в заключительном слове, что «не надо на себя выливать грязь» и рекомендовал не комментировать смещение Хрущева на собраниях беспартийных и в печати шире, чем в официальной версии, опубликованной в газетах (освобожден по личному заявлению в связи со старостью и состоянием здоровья).
Хрущеву сообщили о заседании Президиума ЦК КПСС 13 октября. К этому времени Кремль был изолирован и все связи Хрущева взяты под контроль. Поводом для неожиданного пленума стало, по словам Брежнева, проводившего этот телефонный разговор, решение обсудить записку Хрущева о новой перестройке системы управления сельским хозяйством. (Эту записку он разослал членам Президиума ЦК в августе с предложением обсудить ее в ноябре перед намеченным пленумом ЦК КПСС. Уже в августе ее открыто критиковали на партийных собраниях сельскохозяйственных учреждений, сельского актива и во многих научных институтах.) В Москву был вызван и Микоян. Хрущев сначала отказался немедленно приехать на пленум, причем в достаточно грубой форме. Кроме Брежнева его пытался уговорить также и Малиновский. Однако Брежнев после короткого перерыва сообщил Хрущеву, что в случае его отказа Президиум ЦК начнет обсуждение без него, и Хрущев согласился. Однако ему был подан не его личный, а военный самолет. После приземления в Москве Хрущев распорядился сначала отвезти его домой, но на этот раз охрана не подчинилась, и ему сообщили, что есть распоряжение о том, чтобы он сразу явился в Кремль.
Заседание Президиума продолжалось до поздней ночи 13 октября. Против смещения Хрущева выступал только Микоян, однако в дальнейшем он присоединился к большинству. Хрущев не соглашался на добровольную отставку и требовал созыва полного пленума ЦК. Он надеялся, что, как и в 1957 году, сумеет получить поддержку большинства членов пленума. Однако в перерыве заседания в ночь с 13 на 14 октября именно Микоян уговорил Хрущева согласиться на добровольную подачу заявления об отставке. Была принята и формулировка, которую впоследствии опубликовали в газетах. Поэтому на пленуме ЦК КПСС не должно было быть широких прений и «проработки» Хрущева.
Президиум ЦК КПСС продолжил заседание 14 октября, а во второй половине дня был собран уже заранее подготовленный полный состав пленума ЦК КПСС. Пленум открыл Брежнев. Председательствовал Микоян, доклад о смещении Хрущева и основных мотивах этого решения сделал Суслов. Во время доклада звучало много реплик, направленных против Хрущева. Предложение об освобождении его с постов Первого секретаря и Председателя Совета министров СССР и о выводе его из состава ЦК было принято единогласно и без прений.