Фаворит сначала стал разделять со своей государыней заботы по управлению государством, а затем и вовсе все прибрал к своим рукам. Это согласовывалось и с желанием Анны Иоанновны, которая вскоре предоставила ему всю верховную власть в государстве. Бирон окружил себя только такими людьми, в чью преданность верил — в основном немцами или теми из русских, кто соглашался безоговорочно поддерживать его. С их помощью он стал настоящим правителем России, издавая от имени Анны Иоанновны один указ за другим. По словам современников, Бирон терзал все государство и все сословия, заботясь только об укреплении своей власти и приобретении все больших почестей и богатств. Императрица жаловала его титулами и наградами, поместьями с тысячами крепостных душ и ценными подарками. Стоны и жалобы народа не доходили до Анны Иоанновны, а если и доходили, то Бирону и его сторонникам удавалось убедить императрицу, что народ бунтует, а потому только строгостью и жестокостью можно держать его в повиновении. Пользуясь влиянием на императрицу, Бирон сразу дал всем почувствовать свою силу и значение, старался избавиться от врагов и завистников, которые стояли у него на пути, хотя бы то были важные и знатные сановники. Многие из них были устранены, отданы под суд и сосланы, а некоторые даже казнены.

Богатство Бирона росло ежедневно, доходы были велики, а пышность и роскошь соперничали с царской. За пределами России он имел имение в Силезии, а также приобрел герцогство Курляндское. Курляндские дворяне теперь за честь для себя считали избрать в герцоги того, кого раньше не хотели признать даже равным себе. В июле 1739 года германский император прислал Бирону диплом на пожалование ему титула "светлейший", но тот долго не отвечал императору, считая, что титул этот должен был быть пожалован ему гораздо раньше.

Еще в 1731 году Анна Иоанновна, едва вступив на престол, издала указ, по которому российский трон утверждался за будущим ребенком ее племянницы Анны Леопольдовны, которой в то время было всего 13 лет. В середине октября 1740 года врачи признали здоровье царицы безнадежным, и она подписала указ о регентстве. Но кто будет регентом при двухмесячном младенце? Его мать или всесильный временщик Бирон? Сам он рвался к власти, но хотел получить ее не из рук умиравшей царицы, а по просьбе высших чинов Российской империи. И действительно, Бирона поддержали русские вельможи — кабинет-министры А. П. Бестужев и A. M. Черкасский. Временщик получил титул "высочество", давал и подписывал от имени императора дарения членам императорской фамилии и некоторые другие документы, которые обычно обнародуются при начале нового царствования.

Но став регентом, Бирон переменился в первые же дни. И хотя окружавшие видели по-прежнему грубого, заносчивого и самонадеянного вельможу, но уже не того Бирона, а явно растерявшегося человека, который будто бы потерял опору и не знает, что делать. Он начал с милостей: некоторых ссыльных вернул, другим смягчил приговоры, снизил подушный налог, но это уже не действовало. Недовольство вокруг временщика, не обладавшего к тому же ни государственным умом, ни способностью завоевывать симпатии, сгущалось. Смерть Анны Иоанновны поставила его лицом к лицу с дворянством и гвардейцами в столице. Видя всеобщее недовольство Бироном, решился действовать фельдмаршал и "столп империи" Б. К. Миних, не переносивший его. В свое время он старался доставить курляндскому герцогу регентство, а тот не оценил его усердие и не дал ему звание генералиссимуса. Б. К. Миних пользовался популярностью в армии: он был героем осады Данцига в 1734 году, героем войны с турками, но вместе с тем это был человек с неимоверным честолюбием, которое подвигло его на решительный шаг.

Удобнее всего было действовать именем Анны Леопольдовны: и она, и ее супруг были оттеснены Бироном, который обращался с ними грубо и пренебрежительно, как привык в прошлое царствование. Рассказывают такой случай. Накануне возмущения Б. К. Миних находился у регента, сердитого и расстроенного в тот вечер. Бирон не знал, о чем говорить, и спросил фельдмаршала, случалось ли тому когда-нибудь ночью приводить в исполнение смелый и великий план. Б. К. Миних на мгновение смешался и подумал, что его предали и о заговоре известно регенту. Он уже готов был повалиться к ногам Бирона и во всем сознаться, однако подождал, не скажет ли тот еще что-нибудь. Наконец, вполне успокоился и искренне ответил, что ничего чрезвычайного не упомнит, но имеет твердое правило использовать благоприятные обстоятельства в любое время дня.

Благоприятные обстоятельства наступили в два часа ночи. Фельдмаршал со своим главным адъютантом — полковником Манштейном — через незапертые задние ворота вошли во дворец и прошли в покои Анны Леопольдовны. После короткого разговора с ней Б. К. Миних вызвал караульных офицеров, которым правительница объявила, что решила арестовать Бирона. Фельдмаршал отобрал 80 человек и вместе с ними двинулся ко дворцу регента. Б. К. Миних, Манштейн и солдаты беспрепятственно прошли через сад и поднялись в спальню Бирона. Мягкий ковер, покрывавший весь пол, заглушил шаги; приблизившись к кровати, больше похожей на большой ящик, фельдмаршал отодвинул полог. Свет ночника упал на бледное, тощее лицо Бирона, лежавшего рядом со своей дебелой супругой, полнота которой еще больше подчеркивала худобу герцога.

Офицеры схватили проснувшегося Бирона. Он стал отчаянно сопротивляться, но его повалили на пол и жестоко избили, а потом связали руки шарфом, рот заткнули платком и, закутав в одеяло, понесли к карете. Лакей, окаменевший от изумления, только широко раскрыл глаза и молча таращился на офицеров, в руках которых бился связанный регент. Так пал всесильный временщик Бирон, которого связь с Анной Иоанновной подняла на головокружительную высоту. Падение его было встречено всеобщим ликованием.

9 ноября от имени императора Иоанна Антоновича был издан манифест, которым Бирон отстранялся от регентства, а правительницей с теми же полномочиями назначалась Анна Леопольдовна. Временно герцога вместе с семьей поместили в двух тесных кельях Александро-Невской лавры, которая по этому случаю была наполнена войсками. Сам Бирон отнесся к свершившемуся почти равнодушно, так как давно понял, что со смертью императрицы Анны Иоанновны потерял свою главную и единственную опору. Но его жена и дети, привыкшие к роскоши и царским почестям, были в отчаянии. Сыновья герцога, Петр и Карл, бесновались так, что по пути из родительского дворца в лавру их пришлось связать. В лавре они начали бить стекла и крушить мебель, и напрасно отец пытался говорить, что им ровно ничего не грозит, потому что у них есть большое состояние, хранящееся в надежных руках. Им разрешат уехать за границу, но юноши, унаследовавшие от отца буйный характер, ничего не хотели слушать. Они кричали, что отец погубил их, и требовали, чтобы им разрешили вернуться во дворец.

На следующее утро всю семью Бирона перевели в Шлиссельбургскую крепость. Бывшего регента везли в отдельной карете под особо строгим конвоем. На козлах и на запятках находились офицеры с заряженными пистолетами, по сторонам кареты ехали кавалеристы с обнаженными палашами. Герцог сидел, откинувшись на подушки и надвинув на глаза меховую шапку, чтобы его не узнали. Однако теснившийся на улице народ знал, кого везут, и осыпал пленника злобными насмешками. Когда карета выехала из Санкт-Петербурга, Бирон находился в полуобморочном состоянии, и в лодку на переправе его перенесли на руках.