Regimul instituit de Alexandru Ioan Cuza după 2 mai 1864 a provocat nemulțumirea liberalilor radicali, care s-au aliat cu conservatorii, iar poziția domnitorului a devenit din ce în ce mai fragilă. Complotiștii reușiseră să atragă de partea lor o grupare a armatei din care făceau parte colonelul C. Haralambie și maiorul Dimitrie Lecca și l-au constrâns pe domnitor să abdice în noaptea de 10 spre 11 februarie 1866.
Evenimentele premergătoare au fost descrise de istoricul A.D. Xenopol în volumul „Istoria românilor din Dacia Traiană. Domnia lui Cuza Vodă”:
„În ziua de 24 ianuarie se dădea un bal la teatru. Baronul de Offenberg, consulul rus, îi îndemna pe miniștri să nu-l lase pe domnitor să meargă la acel bal, de teamă să nu aibă loc un atentat. Domnul însă, nepăsător și fatalist precum era, nu a ascultat acest sfat. S-a dus la teatru, unde a rămas până la ora două din noapte.
Tot în acea noapte, consulul italian, cavalerul de Strambio, i-a spus lui Al. Papadopol-Calimah: „Domnule ministru, dumneavoastră stați pe un vulcan; regret că sunt consul și nu pot să vă spun mai multe.” Aceste cuvinte au fost raportate a doua zi domnitorului, însă fără a-l putea scoate din nepăsarea sa.
La 8 februarie, aniversarea zilei în care domnitorul intrase pentru întâia oară în București, s-a dat un alt bal la Curte. Cu acel prilej, conjurații se pregăteau să-l răpească sau chiar să-l asasineze pe domnitor, dar s-au temut să execute planul și au lăsat lucrurile pentru noaptea de 10 spre 11 februarie.
În ziua de 10 februarie, pe la ora șapte seara, când domnitorul cobora la masă, un băiat de prăvălie a pătruns până în palat și l-a întâmpinat pe scări, spunându-i că 4.000 de oameni urmau să năvălească în cazarma de la Malmaison, să ia armele și să se repeadă asupra palatului; că armata și chiar garda palatului erau câștigate. Domnitorul a vrut să-i dea băiatului o răsplată, dar acesta a refuzat banii.
Vestea l-a tulburat pe domnitor, care i-a chemat pe colonelul Zefcari și pe I. G. Valentineanu, șeful siguranței. Băiatul adusese știrea unei revoluții gata să izbucnească, dar, judecând după liniștea poporului, o revoltă părea puțin probabilă. Domnitorul s-a mulțumit să ordone dublarea gărzii palatului, fără să știe că însăși garda sa fusese câștigată de conspiratori…” 
În seara respectivă, Cuza a luat cina împreună cu soția sa, Elena, dar spre miezul nopții la palat a apărut amanta, frumoasa Maria Obrenovici, însoțită de un anume Sachelaridis, un cartofor înrăit care l-a provocat pe Cuza la un joc de whist până noaptea târziu.
Elena Maria Catargiu Obrenovici, născută în 1835 la Iași, era fiica unui boier antiunionist și trecuse deja prin două mariaje. Frumoasa tânără fusese căsătorită prima dată cu un general sârb numit Constantinovici, cu care a avut un fiu, Rudi, apoi cu prințul Miloș Obrenovici, cu care a avut un alt băiat, care avea să devină regele Milan al Serbiei. Divorțată pentru a doua oară, l-a cunoscut pe Cuza pe 12 martie 1862, iar domnitorul s-a îndrăgostit nebunește de tânăra de 27 de ani, i-a oferit rochii elegante și bijuterii scumpe și i-a cumpărat o casă pe Strada Biserica Amzei.
Maria Obrenovici
În noaptea de 10 spre 11 februarie, după ora 2, Maria Obrenovici și Cuza s-au retras într-un dormitor de la Palatul Domnesc. În zori, în camera lor a intrat un grup de militari. Unul dintre ei i-ar fi pus revolverul la tâmplă si l-a trezit astfel din somn pe domnitor. Acesta avea pistoalele pe noptieră, dar nu a mai ajuns la ele. Un alt militar și-ar fi scos mantaua și a acoperit-o pe amantă, apoi a evacuat-o din palat.
În volumul lui A.D. Xenopol ni se oferă următoarele amănunte: „Pe la ora patru dimineața, conjurații au intrat în palat, au urcat la apartamentul domnului și l-au găsit dormind pe sofa pe un prieten al acestuia, pe care l-au arestat. Au mers mai departe. La camera unde dormea suveranul, ușa era încuiată. Soldații au forțat-o cu baionetele și au pătruns înăuntru.
Domnul, trezit, a înaintat spre conjurați cu revolverul în mână. I s-a cerut să abdice și i s-a prezentat decretul. Discuția a avut un ton aproape parlamentar, chiar elegant în expresie. Domnul nu s-a apărat și nu a tras în adversarii săi. A citit decretul de abdicare și l-a semnat, sprijinindu-se pe umărul unuia dintre conjurați…”
Pe actul semnat de Cuza în acea dimineață scria:
„Noi, Alexandru Ioan I, conform dorinței națiunii întregi și angajamentului ce am luat la suirea pe Tron, depun astăzi, 11 februarie 1866, cârma guvernului în mâna unei Locotenențe Domnești și a ministrului ales de popor“.
“După iscălirea actului de abdicare, Domnitorul se îmbrăcă repede şi ieşi din Palat. La scară aştepta o trăsură pe capra căreia se afla Const. Ciocârlan. Vodă Cuza se urcă în trăsură cu căpitanul Costiescu şi, în momentul plecării, auzind o împuşcătură de pistol, întrebă pe temnicerul său:
— Ce însemnează acest foc?
— E un semnal, Măria Ta!
În adevăr, maiorul Lecca, care aștepta în mijlocul pieței palatului, văzând pe Domnitorul plecat, dădu un foc care însemna că membrii guvernului provizoriu pot veni să ia în posesiune Palatul Domnesc.
Cuza Vodă fu condus la domiciliul lui Const. Ciocârlan, în Piaţa Sf. Gheorghe, şi Nicolae Golescu, Lascăr Catargiu şi Nicolae Haralambie fură proclamaţi Locotenenţi Domneşti de către armata care umplea piaţa şi împrejurimile Palatului.
Zic de armată, căci de popor nici nu poate fi vorba. Cu noaptea în cap, bucureştii se pomeniră cu o răsturnare la care atât țara, cât şi Capitala nu luaseră absolut nici o parte.
De aceea colonelul Haralambie, întâlnind pe C. A. Rosetti în Piaţa Teatrului, îi striga cu amărăciune:
— Unde îţi e poporul? (…)
În aceeaşi zi, pe la şase ore seara, Vodă Cuza a fost dus la Cotroceni, unde i se pregătiseră două odăi. Locotenenţii Domneşti se temeau a lăsa pe fostul Domnitor în Capitală, cu toate că ei pretindeau că poporul l-a detronat şi că prin voinţa poporului erau în capul țării”, scria ziarul Adevărul din februarie 1891 rememorând evenimentul.
„Cuza s-a lăsat în întregime la dispoziția conspiratorilor, care l-au îmbrăcat în haine civile, l-au trecut printre două rânduri de soldați ce întorceau spatele și l-au urcat într-o trăsură, condusă de Chiriță, ducându-l la casa lui Ciocârlan. De acolo, domnitorul a trimis o scrisoare unuia dintre locotenenți, Golescu.
Filosofia domnitorului se vede și în această scrisoare. El uită siluirea și rușinea și își continuă rolul de apărător al intereselor țării, ca și cum nu s-ar fi căscat un abis moral între el și cei care îl detronaseră. Scria că, întrucât noua cârmuire este constituită, socotește că nu mai este nevoie să i se prelungească reținerea. Afirma că principiul proclamat de corpurile statului fusese și este țelul său, deoarece numai un principe străin putea, în opinia sa, garanta viitorul României. Ca fost domnitor, lucrase pentru realizarea acestui ideal și, ca român, nu va înceta să sprijine acest scop. Își exprima dorința de a părăsi țara cât mai grabnic. Scrisoarea se încheia cu: „Să trăiască România!”
Într-o a doua scrisoare către Golescu, scrisă când părăsea țara, declara solemn că orice român care, în împrejurările de față, nu ar contribui la realizarea principiului proclamat de corpurile statului este trădător față de națiune”, nota Xenopol.
Două zile mai târziu, domnitorul, soția și cei doi fii (Alexandru și Dimitrie) pe care îi avea cu Maria Obrenovici, dar care fuseseră înfiați de Elena Doamna, au părăsit Bucureștiul plecând spre Brașov.
„În Cameră și pe străzi domnea bucuria: entuziasm, aplauze. Ziarele, chiar și cele care îl sprijiniseră cât timp domnise, s-au întors împotriva lui. „Trompeta Carpaților”, de pildă, îl numea trădător al României și ridica în slăvi „fapta patriotică” a celor care ar fi salvat țara de tiranie. Se încerca și justificarea atitudinii armatei, susținându-se că un militar nu este dator să-și respecte jurământul față de un guvern care și-ar fi încălcat propriul jurământ față de țară.
Se afirma că răsturnarea lui Cuza ar fi fost rezultatul unei mișcări spontane și irezistibile a poporului indignat. La aceste susțineri, N. Crețulescu răspundea printr-o întrebare: Dacă autorii zilei de 11 februarie erau atât de convinși de indignarea poporului și a armatei, de ce au acționat în întunericul nopții și nu în plină zi, în fruntea acelui popor?
Pentru a înțelege cum a fost posibil ca un domnitor să fie prins de particulari în propriul său palat și cum un act atât de violent să nu provoace nicio reacție în masele populare, trebuie analizate stările sufletești ale domnului, ale conjuraților, ale populației din București și din celelalte orașe, precum și ale țăranilor.” (A.D. Xenopol, Istoria românilor din Dacia Traiană. Volumul 14: Domnia lui Cuza Vodă (1859-1866). Partea a 2-a)
În Capitală a fost instituită o Locotenență Domnească formată din Lascăr Catargiu, Nicolae Golescu și colonelul Nicolae Haralambie, din partea armatei. Conducerea guvernului i-a revenit lui Ion Ghica. În aceeași seară, Locotenența Domnească l-a proclamat domnitor al Principatelor Române, în locul lui Alexandru Ioan Cuza, pe Filip de Flandra, ce făcea parte din casa domnitoare belgiană. Prințul Filip, care era înrudit cu Casa de Bourbon, a refuzat însă propunerea pe care a primit-o, trimițând răspunsul său prin consulul general al Belgiei în Principate, Jacques Poumaydar.
A urmat, între 14 și 20 aprilie 1866, plebiscitul prin care a fost aprobată alegerea lui Carol ca domn al României, dar misiunea provizorie a Locotenenței Domnești a luat sfârșit abia după ce Carol de Hohenzollern-Sigmaringen a acceptat să devină principe, pe 10 mai 1866.
Domnitorul Alexandru Ioan Cuza și-a petrecut-o restul vieții în exil, locuind la Paris, Viena și Wiesbaden. A încercat să revină în țară ca persoana privată, dar nu a reușit, deși domnitorul Carol I a transmis cererile sale Consiliului de Miniștri, dar acesta din urmă a refuzat să-i acorde orice tip de permisiune.
Cuza a murit pe 15 mai 1873 la Heidelberg, rămășițele i-au fost aduse în Moldova și au fost înmormântate inițial la Biserica Domnească de lângă Palatul de la Ruginoasa, conform dorinței sale. La eveniment au participat, spun mărturiile de arhivă, 30.000 țărani, iar după cel de-al Doilea Război Mondial osemintele sale au fost mutate la Biserica Trei Ierarhi din Iași.
Nici Maria Obrenovici nu a mai rămas mult timp la București după abdicarea domnitorului. Conform relatărilor medicului Carol Davila, fosta amantă a lui Cuza se afla în Germania în 1873, ca doamna de onoare a împărătesei Augusta, soția Kaiserului Wilhem I. „Principesa Obrenovici, scria Davila, a avut amabilitatea să mă recunoască de departe și a străbătut mulțimea ca să-mi strângă mâna. Era splendidă…”
În iulie 1876, ajunsă la vârsta de 41 de ani, Maria Obrenovici a aflat că este bolnavă de cancer și s-a sinucis la Dresda. A fost inițial înmormântată la biserica Sf. Spiridon din Iași, iar în 1908 a fost deshumată și mutată în cavoul familiei din Cimitirul „Eternitatea” din Iași.
