Знаменитая крепость-тюрьма, являвшая собой символ королевского деспотизма, пала. Людовику пришлось признать своё поражение. 15 июля он явился к депутатам без конвоя, в сопровождении одних братьев и произнёс речь, стоя с обнажённой головой и без всякого церемониала. Он сообщил, что уже отдал приказ войскам отступить от Версаля. 16-го он обещал вернуть Неккера, а 17-го — отправился в парижскую ратушу и принял там трёхцветную кокарду. В эти дни была создана национальная гвардия, начальником которой стал герой американской революции маркиз Лафайет. Воодушевлённые поддержкой народа, депутаты на ночном заседании 4 августа приняли целый ряд революционных декретов. Все феодальные права и привилегии отныне объявлялись уничтоженными, дворянство и духовенство облагалось налогами наравне с третьим сословием. Вместе с тем были уничтожены судебные подати и все привилегии и пошлины, выработанные феодальным правом. Военные и административные должности были объявлены доступными любому гражданину. 26 августа 1789 года была принята Декларация прав человека и гражданина, провозгласившая равенство всех людей независимо от рождения, а также свободу личности, свободу слова, свободу убеждений, право на сопротивление угнетению и право частной собственности. В следующие месяцы Собрание провозгласило отмену сословного деления и наследственных титулов, подчинение церкви государству, единообразное деление Франции на 83 департамента, уничтожение внутренних таможенных пошлин.

Между тем кризис всё усиливался. В столице появились признаки голода. 5–6 октября толпа женщин, к которым потом присоединились и вооружённые мужчины, двинулась из Парижа на Версаль. Часть недовольных прорвалась во дворец и попыталась захватить королеву. В свалке было убито несколько человек. Только появление гвардии несколько охладило пыл нападавших. Чтобы успокоить народ, король и королева должны были выйти на балкон. На другой день по требованию восставших король переехал в Париж и обосновался в Тюильри. 4 февраля 1790 года Людовик в Национальном собрании торжественно утвердил конституцию. На основании её король получил высшую исполнительную власть. Законодательная власть вручалась высшему Законодательному собранию.

В это время Людовиком уже всецело владела мысль о бегстве, но для него долго не представлялось удобного случая. В октябре Людовик и Мария-Антуанетта попытались тайно отправиться в Монмеди, однако были остановлены народом в Сен-Клу. В июне 1791 года королевское семейство во второй раз попыталось покинуть Париж. Брату короля графу Прованскому удалось тогда благополучно добраться до границы, но сам король был узнан в Варенне и под конвоем возвращён в столицу. Его престиж после этого пал очень низко. Собрание вернуло ему власть только 14 сентября, когда Людовик клятвенно подтвердил окончательно утверждённую конституцию. Вслед за тем Национальное собрание разошлось, а 1 октября, согласно конституции, открыло заседания Законодательное собрание.

Казалось, что после введения конституции компромисс в обществе найден. Но взаимное ожесточение вело Францию к внешней и внутренней войне. Множество роялистов эмигрировало за границу, где принц Конде сформировал из них армию. Австрия и Пруссия готовились поддержать её самым решительным образом. Вооружённое столкновение с ними сделалось неизбежным. Опережая события, Законодательное собрание взяло инициативу в свои руки. 20 апреля 1792 года Людовик по требованию депутатов и против воли объявил войну «королю Чехии и Богемии» (так именовался император Франц II по своим наследственным владениям). Боевые действия начались неудачно. Враги наступали. Кроме того, повсюду обнаруживалась измена. В мае-июне собрание приняло революционные декреты о ссылке не присягнувших священников и об образовании под Парижем военного лагеря из 20 тысяч национальных гвардейцев. В эти дни народ стал подозревать короля и в особенности королеву в пособничестве оккупантам. Негодование сделалось особенно сильным и всеобщим после того, как герцог Брауншвейгский, стоявший во главе немецкой армии, опубликовал декларацию, в которой говорилось, что национальные гвардейцы, взятые с оружием в руках, будут наказываться как бунтовщики против своего короля. Он также грозил парижанам, что разрушит их город, если Тюильри вновь подвергнется нападению. Эта декларация сослужила очень дурную службу Людовику, которого с этих пор считали главным союзником пруссаков.

Сразу после её обнародования (28 июня) парижские революционеры стали готовить низложение короля. 3 августа мэр Парижа Петион явился в Законодательное собрание и от имени всех секций потребовал свержения Людовика. Депутаты не решились открыто пойти на такое нарушение конституции. Тогда революционеры стали действовать самостоятельно. Основной силой для свершения переворота стал Марсельский батальон национальной гвардии, прибывший в Париж 30 июля. В ночь на 10 августа мятежники ударили в набат. На рассвете королевская семья тайком бежала из Тюильри в залу Законодательного собрания. Около шести утра восставшие окружили дворец и попытались ворваться внутрь. Швейцарская гвардия открыла по ним жестокий огонь. Завязался кровопролитный бой. Наконец народ овладел дворцом и принялся ломать, разорять и жечь всё, что попадалось под руку. Видя, что победа осталась за народом, депутаты приняли чрезвычайное постановление о преобразовании высших органов власти и о временном отрешении короля. По их требованию королевскому семейству была отведена «квартира» в Тампле.

20 сентября Законодательное собрание самораспустилось, уступив место избранному на основании закона 10 августа Национальному Конвенту, имевшему неограниченные полномочия как законодательной, так и исполнительной власти. На втором заседании 21 сентября Конвент принял закон «об упразднении королевской власти во Франции». Особой комиссии было поручено рассмотреть бумаги короля, найденные в Тюильри, и его переписку с братом графом Прованским, находившимся в армии роялистов. 6 ноября комиссия доложила, что нашла достаточно улик для того, чтобы обвинить короля в измене и предать его суду (действительно, найдены были письма, из которых явствовало, что Людовик призывал чужеземные армии напасть на Францию). 7 ноября вопрос о суде был решён утвердительно. 3 декабря Конвент образовал специальную комиссию из 21 человека для подготовки обвинительного доклада. Он был представлен 10 декабря, обвинительный акт — 11-го. Людовик, приведённый в Конвент, должен был ответить на 33 вопроса, касавшихся его поведения во время главных событий революции. Он спокойно отрицал все возводимые на него обвинения, но его лаконичные ответы не могли удовлетворить даже тех, кто был к нему расположен. Было постановлено дать королю адвокатов, чтобы они построили более продуманную защиту. Людовик сам избрал троих, и в их числе ловкого де Сеза. 26 декабря тот в искусной речи опроверг многие из возводимых обвинений. После этого прения продолжались до 15 января 1793 года. В этот день перед депутатами были поставлены три вопроса. На первый из них: «Виновен ли Людовик Капет в заговоре против общественной свободы и в посягательстве на безопасность государства?» — Конвент почти единогласно ответил утвердительно. Затем был предложен второй вопрос: «Должен ли быть передан на утверждение народа приговор, произнесённый Конвентом над Людовиком Капетом?» Большинство депутатов ответило на него отрицательно. Вынесение приговора было отложено на два дня. 17 января в ответ на вопрос: «Какому наказанию должен быть подвергнут Людовик Капет» — 387 депутатов проголосовало за смертную казнь, а 334 — за тюремное заключение. Казнь была назначена на 21 января.

По свидетельству Мальзерба, Людовик, узнав о решении своей участи, остался спокоен и сказал: «Смерть меня не страшит, я уповаю на милосердие Божие». Он написал завещание, а также посмертные письма родным и близким. Затем он простился с женой и сыном, утешая которых сказал: «Успокойтесь, друзья. Будем лучше благодарить Провидение, приведшее меня к концу страданий». За день до смерти он отслушал литургию и приобщился святых тайн. Утром 21 января 1793 года Людовика доставили на место казни. Когда его возвели на эшафот, он повернулся к толпе и произнёс твёрдым голосом: «Я умираю невиновным во всех преступлениях, в которых меня обвиняют, и молю Бога простить врагам моим». Однако слова его не произвели на чернь никакого впечатления. Через минуту нож гильотины отсёк ему голову. Когда её показали толпе, площадь содрогнулась от неистовых криков: «Да здравствует нация! Да здравствует республика!»