Thế chiến thứ I đặt lên chính phủ và nền kinh tế Nga một gánh nặng quá sức chịu đựng, khiến cả hai trở nên suy yếu nghiêm trọng. Nạn thiếu hụt và đói kém hàng loạt đe dọa đời sống của hàng chục triệu người dân Nga do sự gián đoạn của nền kinh tế chuyên phục vụ chiến tranh. Mười lăm triệu người phải bỏ sản xuất nông nghiệp để đi lính, cơ sở hạ tầng giao thông vận tải (chủ yếu là đường sắt) cũng được dùng để phục vụ chiến tranh, khiến tình trạng thiếu lương thực ở nhiều thành phố thêm trầm trọng vì các sản phẩm nông nghiệp không được vận chuyển tới khu vực đô thị. Tình trạng lạm phát tràn lan. Điều này cộng với nạn thiếu lương thực và những thành tích kém cỏi của quân đội Nga trong cuộc chiến đã làm dấy lên sự tức giận và bất ổn giữa người dân Sankt-Peterburg và các thành phố khác.[53]

Quyết định tự mình chỉ huy quân đội bất chấp mọi lời khuyên là một việc làm thất sách, bởi sa hoàng nhanh chóng bị đổ lỗi cho mọi mất mát trong cuộc chiến. Việc ông thân chinh ra mặt trận và giao việc nước cho hoàng hậu đã gây nguy hại đến triều Romanov. Thành tích kém cỏi của quân đội cũng làm phát sinh tin đồn vị hoàng hậu gốc Đức có dự phần trong âm mưu hòng giúp Đức giành thắng lợi trong cuộc chiến. Hơn nữa, chỉ trong vài tháng nắm quyền chỉ huy quân đội, sa hoàng đã thay thế nhiều bộ trưởng có tài bằng những kẻ yếu kém hơn theo yêu cầu của hoàng hậu và Rasputin, đơn cử như thay N. B. Shcherbatov bằng Khvostov làm Bộ trưởng Bộ Nội vụ.[54] Mùa đông khắc nghiệt năm 1916–1917 về cơ bản đã khiến hoàng tộc Nga sụp đổ. Tình trạng thiếu hụt lương thực ngày một tồi tệ và nạn đói lan tràn khắp các thành phố. Sai lầm trong cách quản lý và những thất bại trong chiến tranh còn khiến binh lính nổi dậy chống lại sa hoàng. Đến năm 1917, sa hoàng nhận ra nước Nga không thể chiến đấu lâu hơn nữa và lên kế hoạch cho một cuộc tổng tấn công một mất một còn vào mùa xuân. Nhưng vì đường sắt phải dùng để chở lính ra mặt trận, sức chứa thực phẩm chuyển đến các thành phố càng bị giảm đi.

Đến tháng 3 năm 1917, tình hình ngày một trầm trọng. Ngày 7 tháng 3, các công nhân ngành thép đình công. Ngày 8 tháng 3, nhiều đám đông bắt đầu gây náo loạn trên đường phố Sankt-Peterburg hòng phản đối chiến tranh và nạn thiếu lương thực. Sau hai ngày bạo loạn, sa hoàng ra lệnh cho quân đội vãn hồi trật tự vào ngày 11 tháng 3, quân đội đã nổ súng vào đám đông. Cũng vào hôm đó, cơ quan lập pháp – Duma – giục sa hoàng hành động hòng cải thiện những mối lo ngại của người dân. Sa hoàng đáp trả bằng cách giải thể Duma.[55]

Ngày 12 tháng 3, những người lính được sai đi trấn áp đám đông cũng nổi dậy và tham gia vào cuộc nổi loạn, góp phần làm châm ngòi Cách mạng Tháng Hai (cũng như Cách mạng Tháng Mười vào tháng 11 năm 1917, các cuộc cách mạng Nga năm 1917 được đặt tên theo lịch kiểu cũ). Binh lính và công nhân thành lập "Xô viết Petrograd" gồm 2.500 người được bầu làm đại biểu, còn Duma thì tuyên bố Chính phủ Lâm thời vào ngày 13 tháng 3. Aleksandr Kerensky là một nhân vật chủ chốt của chế độ mới.

Hòng chấm dứt những cuộc nổi dậy tại thủ đô, Nikolai đã thử tới Sankt-Peterburg từ trụ sở quân đội tại Mogilyov bằng tàu hỏa. Tuyến đường này bị chặn nên ông thử đường khác, song cũng bị chặn ở Pskov. Tại đây, được lời khuyên từ các viên tướng của mình, sa hoàng đã thoái vị cho mình trước. Sau khi nghe lời khuyên từ thái y thì ông cũng thoái vị cho cả Thái tử Aleksei.[56]

Giờ đây, Aleksandra bị đặt trong một tình thế hiểm nghèo với tư cách là vợ của một sa hoàng bị phế truất, bị người dân Nga ghét bỏ. Đám đông cố xông vào Cung điện Aleksandr tại Tsarskoe Selo, song lính gác tại đó đã thành công bảo vệ cung điện.[57] Nhưng sau đó Aleksandra để ý thấy những người lính gác bảo vệ cung điện đột nhiên quấn khăn mùi soa quanh cổ tay, ám chỉ mình ủng hộ Duma, và điều này đồng nghĩa với việc bà và các con mình đã bị giam lỏng.[57] Dù vậy Aleksandra, các con bà và toàn bộ gia nhân hoàn toàn không bị quấy rầy. Họ tiếp tục cuộc sống thường nhật như trước, chỉ thỉnh thoảng bị cúp điện.[58]

Nikolai cuối cùng cũng được phép trở lại Cung điện Aleksandr ở Tsarskoe Selo và bị bắt giữ cùng gia đình mình tại đây.