赵高既已除掉李斯，感到篡秦的时机已到。但他还不知道，群臣是不是完全拥护自己。为了试探群臣的倾向，赵高又在秦宫中导演了一幕历史上著名的“指鹿为马”的闹剧。
那是秦二世3年（前207年）8月己亥这一天，赵高命人把一头鹿牵入宫中献给二世，但他却说：“我把这匹好马献给陛下。”二世一看，分明是一头鹿，哪里是什么马，便大声笑道：“丞相弄错了！怎么把鹿当成马呢？”赵高仍坚持说是马。二世不信，就问左右的人。左右的人都面面相觑，不知赵高打的什么主意，有的不敢作声，也有几个人据实说是鹿，但更多的人都奉承赵高，谎说是马。秦二世闻言，大吃一惊，以为自己精神惑乱，竟分辨不出鹿和马，于是就召来太卜，让他为自己占一卦。太卜已经被赵高授意，便按照赵高的意思说：“陛下在春秋季节祭祀天地、尊奉宗庙鬼神时，未能严格斋戒禁忌，所以神灵惑乱，以致今天鹿马不分。现在您必须依照至圣大德的做法，严格认真地去行斋戒之礼。”二世听信了太卜的这套鬼话，便躲进上林苑中进行斋戒之礼去了。二世一走，赵高就把那些据实说鹿的人统统杀掉。从此宫中内外，都畏惧赵高，没有一个敢表示一点异议的人。赵高篡秦，只在早晚之间了。
秦二世在上林苑中，每天以游玩打猎为事。有一次，一个过往的行人进入上林苑中，二世竟挽弓搭箭，将行人射死。赵高得知此事后，就让他的女婿阎乐去告诉二世说：“不知道是谁杀了一个人，却把尸体移到上林苑中来了。”二世听了很不自在。赵高又自己出面，假作关心地劝二世道：“天子无缘无故地射杀一个无辜的人，这是上天所不允的。这样，鬼神就不会接受祭供，上天将会降下灾祸。现在您只有远离皇宫，才能避免灾祸。”二世听了赵高的建议，又离开上林苑，跑到咸阳东南离城八里远的望夷宫避灾去了。
这时，关东各地已纷纷举兵，沛公刘邦率数万人杀入武关，他派人私下和赵高取得联系。赵高便想将计就计，派人去同义军讲和，并向刘邦提出“灭秦宗室，分王关中”的要求。刘邦怕其中有诈，没有答应，赵高担心事情泄漏，便决定先行动手，发动政变，以实现他阴谋篡位的最后一步。
政变是经过精心策划与周密安排的。赵高找来女婿阎乐和弟弟赵成，对他们说：“皇上不听我的劝谏，如今事情危急，一定会归罪于我家，我们难道束手待毙，坐视灭门么？现在只有先行下手，废黜二世，改立公子婴。”接着，赵高就布置行动。因为赵成身为郎中令，可以自由出入宫廷，赵高让他做内应，先在宫中散布谣言，说山东强盗已经打进城来，搅得人心惶惶。然后，由阎乐率领一部分士兵化装成起义军，把阎乐的母亲抓来，偷偷安置到赵高家中，以造成一种似乎起义军真的打进城来的假象。随即由阎乐率领一千多士兵直抵望夷宫。
到了宫门前，阎乐不由分说地令人将卫令仆射（守卫宫门的卫兵首领）绑了起来，并气势汹汹地叱责道：“强盗进了宫门，你们为什么不阻止？”卫令说：“宫外都有卫队驻扎，戒备森严，哪里有什么强盗敢闯进宫来？”阎乐顺手一刀，杀了卫令，率兵直入，边行边放箭。宫内侍卫郎官及宦官仆役，大吃一惊，有的四处逃窜，有的上前格斗。抵抗的都被杀死，死亡数十人。这时，赵成与阎乐一同攻入内殿，一箭射中二世座位后的帷帐。二世惊起，急呼左右护驾。左右侍从皆惊慌乱窜，不敢抵抗。身旁只有一名宦官，呆立在那里不敢逃走。二世问道：“你为什么不早点告诉我？以致弄到今天这种地步！”那位宦官说：“正因为我什么都不敢说，才活到今天。假如我从前敢多言，早就被杀死了，怎么能够活到今天！”这时阎乐已冲到二世面前，他厉声斥责二世道；“你骄恣妄为，滥杀无辜，酷虐无道，现在天下人都起来反对你，今天，你看怎么办！”秦二世胆怯地问了一句：“我可以见见丞相吗？”阎乐道；“不行！”二世说：“我让出皇位，可以让我当一个郡王吗？”阎乐摇摇头。二世又说：“那么，当个万户侯也行。”阎乐又拒绝了他。于是，二世以哀求的口气说：“我愿意同妻子做一个老百姓，这总可以了吧！”阎乐大声说：“我是奉丞相之命，为天下人来除害的，你说什么都没有用，我是不敢回报丞相的。”说完，指挥士兵上前。二世自知死不可免，便横剑自杀了。
阎乐回报赵高，赵高欣喜异常，立即进宫，拿过他觊觎已久的玉玺佩戴在身上，准备篡位登基。但他万万没有想到，“左右百官莫从”。突然，他像被群臣当头重重地打了一棒，只觉得天眩地转，宫殿似乎要倒塌下来。这时，他才意识到，他的倒行逆施，已使自己成为一个“独夫民贼”，孤家寡人，达到了“天弗与，群臣弗许”的地步。他的皇帝梦破灭了。于是，他只好请出子婴，“授之玺”。但因六国复兴，“秦地益小”，难以称“帝”，便立子婴为秦王。