У 1762 році Петро III став імператором. Через 6 місяців був убитий офіцерами гвардії внаслідок змови, у якій брала участь і сама імператриця. Ставши на чолі Російської імперії, Катерина відразу широко виявила свої таланти державного діяча. У ніч на 9 липня 1762 року, коли російський імператор знаходився в Оранієнбаумі, його дружина Катерина таємно прибула до Петербурга і в казармах Ізмайловського полку була проголошена самодержавною імператрицею. Незабаром до повсталих приєдналися солдати інших полків. Звістка про сходження Катерини на престол швидко рознеслася по місту і була із захопленням зустрінута петербуржцями.
Вірні Катерині II офіцери вивели свої гвардійські полки на присягу «Імператриці і самодержиці Всеросійської». Причому Ізмайлівський і Преображенський полки завдяки зусиллям братів Орлових підтримали переворот відразу і беззастережно. А ось на підтримку Кінної гвардії надії було мало, бо в полку на стороні Катерини діяли тільки офіцери з маленькими чинами (зокрема, секунд-ротмістр Хитрово і вахмістр Потьомкін). Проте вони змогли переконати товаришів приєднатися до перевороту. Слідом за гвардією в короткий час присягнули Сенат і Синод, а також частина населення, після чого гвардія виступила зі столиці в бік Петергофа.
Для попередження дій скинутого імператора були послані гінці в армію і в Кронштадт. Тим часом Петро, дізнавшись про те, що сталося, став посилати до Катерини пропозиції про переговори, проте вони були відкинуті. Сама імператриця на чолі гвардійських полків виступила в Петербург і по дорозі отримала письмове зречення Петра від престолу. Незабаром після того колишнього імператора перевезли на Ропшинську мизу, де він 17 липня 1762 року помер за досить туманних обставин.
Провела реорганізацію Сенату (1763), церковну реформу (секуляризацію земель) (1763—1764), скасувала гетьманство в Україні (1764). Очолювала «Комісію з Уложення» («Комиссия об Уложении», 1767—1769). Видала «Установу для управління губерній…» («Учреждение для управления губерний…», 1775), «Жалувану грамоту дворянству» (1785) та «Жалувану грамоту містам» (1785).
За її правління відбулася Селянська війна 1773-1775 рр. під проводом Омеляна Пугачова.
За Катерини II внаслідок російсько-турецьких воєн 1768-74 та 1787-91 рр. Російська імперія розширила свої кордони та закріпилася на Чорному морі, незаконно аннексувала Кримське ханство, яке за Кючук-Кайнарджійським мирним договором визнавалося незалежним. Прийняла під російський протекторат Картвело-Кахетинське царство (Східну Грузію, 1783). Під час її правління за активної участі Росії відбулися три розділи Речі Посполитої (у 1772-му, 1793-му, 1795-му роках).
Листувалася з Вольтером, Дені Дідро та іншими діячами французького Просвітництва, але вона сама про листування з Дені Дідро говорила наступне: «…його думка була більш цікавою для мене, аніж корисною. Якби я послухалася його порад, я б перевернула усю імперію догори дном; законодавство, адміністрацію, політику, фінанси — усе це довелося б поламати й замінити теоретичними мріями».
Популярные вопросы