Храм уже был полон. В середине – делегаты съезда-выборщики, причем левую сторону зала заняли миряне, а правую – духовенство; на хорах – богомольцы, допущенные внутрь храма по особым входным билетам. С правой стороны у иконостаса расположился хор из 600 священников, диаконов и псаломщиков, облаченных в епитрахили и стихари из золотой парчи. На правом клиросе расположился и обер-прокурор Синода В.Н. Львов.
В 9 часов началась торжественная литургия под возглавленном архиепископа Агафангела (Преображенский) с множеством сослуживших ему епископов и духовенства. По ее завершении начались приготовления к выборам. На середине собора был поставлен большой стол, покрытый красным сукном, рядом – кресла для членов наблюдательной комиссии. Перед солеей поставили четыре урны и возле них небольшие столики и стулья для наблюдающих за голосованием. Когда подготовительные работы были завершены, к собравшимся с пастырским словом обратился архиепископ Агафангел. Он от имени Синода благословил свершение избрания архипастыря на московскую кафедру.
Акт избрания начался. Каждый из выборщиков подходил к столику, где секретарь проверял его входной билет, отмечал в списке и пропускал к урне для голосования, куда выборщик опускал свой заполненный бюллетень голосования в конверте. После двухчасовой процедуры голосования все четыре урны были заполнены. Их отнесли в середину зала и высыпали на большой стол, стоявший на возвышении. Теперь началась процедура подсчета голосов в каждой урне. По итогам вслух объявлялись результаты. Две урны не дали ощутимого перевеса ни одной из кандидатур. Но вот третья дала большое преимущество Тихону, четвертая – Самарину, но с очень небольшим перевесом. Общий подсчет голосов завершился ближе к четырем часам. По его результатам избирательная комиссия составила и подписала специальный акт, переданный в алтарь храма находившимся там архипастырям. После этого все двери собора были открыты и публика, ожидавшая конца выборов, моментально заполнила собор. Из алтаря, через открытые царские врата, вышли четыре архипастыря в мантиях и встали на амвоне лицом к народу. Архидиакон Успенского собора Московского Кремля Константин Розов своим мощным басом стал читать акт об избрании московского архипастыря:
Сторонники Самарина тут же покинули храм, а там еще не менее часа оставалась толпа духовенства и верующих, под колокольный торжественный звон, лобызая и поздравляя друг друга с избранием московского архипастыря.
Из 845 выборщиков участвовали в голосовании 793 человека. Архиепископ Тихон получил 481 голос, А.Д. Самарин – 303. Как выяснилось, победа была обеспечена голосами духовенства, в последний момент объединившегося в нежелании пропустить на место епархиального архиерея мирянина.
Результаты голосования были сообщены в Синод, и тот 23 июня 1917 г. своим указом утвердил итоги выборов. Архиепископу Тихону «приказывалось»: «быть архиепископом Московским и Коломенским, Свято-Троицкой лавры священно-архимандритом, без возведения в сан митрополита до решения этого вопроса собором». Хозяйственному управлению поручалось незамедлительно выдать Преосвященному Тихону «прогонные деньги на проезд от Петрограда до Москвы и сверх сего пособие на подъем и путевые издержки причитающуюся по расстоянию сумму», дабы он мог незамедлительно прибыть на новое место служения.