Ngày 16/8/1945, Thành ủy Hà Nội triệu tập hội nghị cán bộ mở rộng thông báo Quân lệnh số 1 của Ủy ban khởi nghĩa, thành lập Ủy ban Quân sự cách mạng - Ủy ban khởi nghĩa Hà Nội.
Chiều 17/8/1945, tại Quảng trường Nhà hát Lớn, Tổng hội viên chức tổ chức cuộc mít tinh hô hào nhân dân ủng hộ chính quyền bù nhìn Trần Trọng Kim, song đã bị Ủy ban Quân sự cách mạng chiếm lấy diễn đàn để tuyên truyền cách mạng. Những tổ chiến đấu, những tuyên truyền viên xung phong đã thi hành nhiệm vụ; nhiều lá cờ đỏ sao vàng, trong đó một lá cờ đỏ sao vàng lớn đã phủ kín mặt trước lễ đài; tiếng reo hò của quần chúng ủng hộ Mặt trận Việt Minh lên cao và cuộc mít tinh này đã chuyển sang biểu tình, tuần hành do các đội tự vệ chiến đấu dẫn đầu đi từ Nhà hát Lớn qua các phố trung tâm, với các khẩu hiệu được hô vang: “Ủng hộ Việt Minh”, “Đả đảo bù nhìn”, “Việt Nam độc lập”… Có thể nói, đây chính là những phút giây đầu tiên của cuộc khởi nghĩa giành chính quyền tại Hà Nội.
Sự kiện này khẳng định sự tin tưởng của quần chúng vào ngọn cờ cứu nước của Mặt trận Việt Minh. Trước khí thế cách mạng của quần chúng và tình hình của địch, tối 17/8/1945, Ủy ban Quân sự cách mạng Hà Nội họp hội nghị mở rộng, bàn cụ thể kế hoạch khởi nghĩa và dự kiến tiến hành vào ngày 19/8/1945.
Ngày 18-8-1945, Ủy ban Quân sự cách mạng Hà Nội chuyển vào nội thành. Theo kế hoạch, các đội tuyên truyền xung phong dùng mô tô, xe đạp cắm cờ đỏ sao vàng đi khắp phố phường phát truyền đơn, dán áp phích, kêu gọi nhân dân tham gia khởi nghĩa; các đội tự vệ cùng các tổ chức cứu quốc sẽ chiếm các nơi quan trọng…
Sáng 19/8/1945, từ các cửa ô, quần chúng nhân dân giương cao cờ đỏ sao vàng và biểu ngữ tiến về Nhà hát Lớn và trung tâm thành phố tham gia khởi nghĩa tạo khí thế cách mạng mạnh mẽ. Trưa cùng ngày, cuộc mít tinh trọng thể tại Nhà hát Lớn đã nhanh chóng chuyển thành cuộc biểu tình vũ trang, tuần hành thị uy của gần 20 vạn người. Quần chúng cách mạng có các đơn vị tự vệ chiến đấu dẫn đầu đã tỏa đi chiếm các cơ quan, công sở trọng yếu của địch theo đúng kế hoạch. Tại Phủ Khâm sai - cơ quan đầu não của chính phủ bù nhìn, quân dân Hà Nội đã tước vũ khí lính bảo an, phân phát cho tự vệ và nhanh chóng làm chủ toàn bộ khu vực này…
2. Nhân việc quân Nhật bất ngờ đem xe tăng bao vây trại Bảo an binh, đòi tước vũ khí của quân ta đề phòng ta sau khi chiếm được trại sẽ tấn công chúng, người của Ủy ban Quân sự cách mạng Hà Nội là đồng chí Lê Trọng Nghĩa và cố vấn Trần Đình Long đã đến cơ quan tham mưu của quân Nhật để đàm phán. Dù đàm phán diễn ra gay go, song cuối cùng quân Nhật cũng chấp nhận yêu cầu án binh bất động, không can thiệp vào công việc của Việt Minh, chính quyền cách mạng và Việt Minh sẽ không tiến công quân Nhật nếu chúng không can thiệp công việc của ta. Thắng lợi của cuộc đàm phán đã giúp lực lượng khởi nghĩa không phải đối đầu trực tiếp với quân Nhật, góp phần loại trừ các lực lượng chính trị ở Hà Nội đang có ý đồ đảo ngược tình thế cách mạng. Mọi nẻo đường Hà Nội lúc này đều rực rỡ cờ đỏ sao vàng.
Tối 19/8/1945, Ủy ban Quân sự cách mạng Hà Nội họp, quyết định nhiều vấn đề quan trọng; trong đó có thành lập Ủy ban nhân dân lâm thời (ra mắt sáng 20/8/1945 và đã ban bố một số chính sách, đáp ứng yêu cầu của tình hình và nhiệm vụ). Tổng khởi nghĩa tại Hà Nội đã thắng lợi.
Hà Nội khởi nghĩa thành công như một tiếng bom mở đầu, lan nhanh, vang dội đi khắp nơi; có tác động quyết định, cổ vũ và tạo điều kiện để nhân dân các địa phương trên cả nước vùng lên khởi nghĩa giành chính quyền sau đó… Khởi nghĩa giành chính quyền thắng lợi ở Hà Nội - nơi có hơn 1 vạn quân Nhật chiếm đóng, đông nhất so với các thành phố, thị xã ở Bắc Kỳ mà không phải đổ máu đã cho thấy sự cân nhắc kỹ của Xứ ủy Bắc Kỳ và sự chủ động, linh hoạt nhưng chu đáo, cẩn trọng của Ủy ban Quân sự cách mạng Hà Nội trong từng quyết sách.
Việc dự kiến khả năng xấu nếu như quân Nhật gây xung đột vũ trang thì ta kiên quyết đánh, đoạt vũ khí của chúng, củng cố lực lượng, chờ cơ hội tiến công chiếm lại thành phố đã không xảy ra cũng cho thấy sức mạnh của quần chúng được tôi luyện trong đấu tranh cách mạng, được cổ vũ, động viên kịp thời khi thời cơ đến đã trào dâng thành làn sóng, đè bẹp sự kháng cự của kẻ thù. Việc chiếm đánh "dập đầu" chính quyền địch ở trung tâm thành phố trong điều kiện ta và địch có sự chênh lệch về mặt lực lượng quân sự, nhưng lực lượng chính trị quần chúng của Hà Nội mạnh hơn đã được Ủy ban Quân sự cách mạng - Ủy ban khởi nghĩa Hà Nội khai thác và phát huy kịp thời. Khí thế cách mạng của quần chúng lên cao chưa từng thấy đã lôi cuốn cả những người còn do dự cùng tiến vào đánh chiếm các công sở, giành chính quyền về tay nhân dân.
Hà Nội là thủ phủ của xứ Đông Dương thuộc Pháp, nên khởi nghĩa giành chính quyền tại đây thắng lợi là đòn chí mạng giáng vào chính quyền tay sai Nhật trên cả nước, dẫn đến sự tuyệt vọng, tan rã của chúng và có ý nghĩa tượng trưng cho sự sụp đổ của chế độ thực dân ở nước ta. Đồng chí Trường Chinh, nguyên Tổng Bí thư của Đảng đánh giá: "Thắng lợi của Hà Nội mở đường cho thắng lợi của cả nước". Cả nước theo gương Hà Nội, vận dụng kinh nghiệm khởi nghĩa ở Hà Nội nên đã nhất tề đứng lên khởi nghĩa thành công, giành được độc lập cho dân tộc. Đồng thời, Hà Nội khởi nghĩa thành công đã tạo điều kiện thuận lợi để chính quyền cách mạng chủ động chuẩn bị cho ngày 2/9/1945 Chủ tịch Hồ Chí Minh đọc Tuyên ngôn độc lập, khai sinh nước Việt Nam Dân chủ Cộng hòa.