Năm 1952, Fidel Castro, một luật sư trẻ đang tranh cử một ghế trong Phòng Dân biểu của Partido Ortodoxo, đã đưa ra một bản kiến nghị phế truất chính phủ của Batista với lý do chính phủ này đã đình chỉ bất hợp pháp quá trình bầu cử. Tuy nhiên, các tòa án đã không hành động theo đơn yêu cầu và phớt lờ những thách thức pháp lý của Castro. Castro do đó quyết tâm sử dụng vũ trang để lật đổ Batista; ông và anh trai của mình Raúl đã tập hợp những người ủng hộ, và vào ngày 26 tháng 7 năm 1953, đã dẫn đầu một cuộc tấn công vào Doanh trại Moncada gần Santiago de Cuba. Cuộc tấn công kết thúc trong thất bại – chính quyền đã tiêu diệt một số quân nổi dậy, bắt giữ Castro, xét xử anh ta và kết án anh ta 15 năm tù. Tuy nhiên, chính phủ Batista đã trả tự do cho ông vào năm 1955, khi ân xá được ban cho nhiều tù nhân chính trị, bao gồm cả những người đã tấn công doanh trại Moncada. Castro và anh trai của mình sau đó phải sống lưu vong ở Mexico, nơi họ gặp nhà cách mạng người Argentina Ernesto "Che" Guevara. Khi ở Mexico, Guevara và Castros tổ chức Phong trào ngày 26 tháng 7 với mục tiêu lật đổ Batista. Vào tháng 12 năm 1956, Fidel Castro dẫn đầu một nhóm 82 máy bay chiến đấu đến Cuba trên du thuyền Granma , hạ cánh ở phần phía đông của hòn đảo. Bất chấp cuộc đổ bộ trước khi Frank País Pesqueira và những người đi theo của ông ta trong phong trào ủng hộ Castro ở thành thị, lực lượng của Batista đã nhanh chóng giết, phân tán hoặc bắt giữ hầu hết người của Castro.[144]

Castro cố gắng trốn thoát vào vùng núi Sierra Maestra với khoảng 12 chiến binh, được hỗ trợ bởi phe đối lập ở thành thị và nông thôn, bao gồm Celia Sanchez và những tên cướp của gia đình Cresencio Perez. Castro và Guevara sau đó bắt đầu một chiến dịch du kích chống lại Batista régime, với lực lượng chính của họ được hỗ trợ bởi rất nhiều escopeteros được trang bị kém và các chiến binh được trang bị tốt của tổ chức đô thị Frank País. Các cuộc kháng chiến chống Batista ngày càng gia tăng, bao gồm cả cuộc chiến đổ máu của các nhân viên Hải quân Cuba ở Cienfuegos, nhanh chóng dẫn đến hỗn loạn trong nước. Đồng thời, các nhóm du kích đối thủ ở Dãy núi Escambray cũng phát triển hiệu quả hơn. Castro đã cố gắng dàn xếp một cuộc tổng đình công vào năm 1958, nhưng không thể giành được sự ủng hộ của những người Cộng sản hoặc liên đoàn lao động.[129] Nhiều nỗ lực của lực lượng Batista nhằm đè bẹp quân nổi dậy đều thất bại.[145][146] Lực lượng của Castro đã có thể thu được vũ khí bị bắt, bao gồm 12 súng cối, 2 súng bazooka, 12 súng máy gắn trên giá ba chân, 21 súng máy hạng nhẹ, 142 súng trường M-1 và 200 súng tiểu liên Dominica Cristobal..[147] Phần thưởng lớn nhất dành cho quân nổi dậy là một chiếc xe tăng M4 Sherman của chính phủ, sẽ được sử dụng trong Trận chiến Santa Clara.

Hoa Kỳ áp đặt các hạn chế thương mại đối với chính quyền Batista và cử một phái viên cố gắng thuyết phục Batista tự nguyện rời khỏi đất nước.[116] Với tình hình quân sự trở nên bất khả kháng, Batista bỏ trốn vào ngày 1 tháng 1 năm 1959, và Castro lên thay. Trong vòng vài tháng sau khi nắm quyền kiểm soát, Castro đã tiến tới củng cố quyền lực của mình bằng cách loại bỏ các nhóm và nhân vật phản kháng khác, đồng thời bỏ tù và hành quyết những người chống đối và những người ủng hộ trước đây bất đồng chính kiến.[148] Khi cuộc cách mạng trở nên triệt để hơn và tiếp tục gạt người giàu, chủ đất và một số người phản đối hướng đi của nó, hàng ngàn người Cuba đã bỏ trốn khỏi hòn đảo, cuối cùng, trong nhiều thập kỷ, hình thành một lưu vong ở Mỹ.[149] Người Mỹ gốc Cuba ngày nay chiếm một tỷ lệ lớn dân số của bang Florida thuộc Hoa Kỳ và tạo thành một khối bỏ phiếu đáng kể.