Vào đầu tháng 3 năm 1970, trong khi Sihanouk đang thực hiện chuyến công du tại châu Âu, Liên Xô và Trung Quốc để xin viện trợ kinh tế, tài chính và quân sự thì các cuộc biểu tình chống Việt Nam với quy mô lớn đột nhiên nổ ra ở Phnom Penh. Đám đông tấn công Đại sứ quán Việt Nam Dân chủ Cộng hòa và Cộng hòa Miền Nam Việt Nam. Sihanouk ban đầu đã đưa ra mức độ hỗ trợ nhất định cho những người biểu tình, ông hy vọng Moskva và Bắc Kinh sẽ gây áp lực Bắc Việt để giảm bớt sự hiện diện của họ ở Campuchia. Quả thực, vấn đề này thậm chí còn được (William Shawcross và những người khác) gợi ý là Sihanouk và Lon Nol có thể đã lên kế hoạch các cuộc biểu tình đầu tiên để đạt được đòn bẩy chính trị chống lại Hà Nội.[13] Thêm vào đó là Lon Nol lúc này đã trực tiếp nắm Bộ Thông tin, kiểm soát báo chí và đài phát thanh, soạn thảo sẵn những bài tường thuật coi những cuộc biểu mình này là "sự bùng nổ niềm căm phẫn của dân chúng".

Ngay khi về tới Phnompenh, Lon Nol tiến hành một chuyến đi thị sát tất cả các doanh trại khu vực biên giới, tới đâu cũng hô hào các binh sĩ chuẩn bị sẵn sàng cho một cuộc đụng đầu lớn với "kẻ thù truyền kiếp là Việt Nam" mà trên thực tế là để chuẩn bị âm mưu lật đổ Sihanouk bằng vũ lực và nếu cần sẽ "ám sát cả ông".[14] Theo nhà báo T. D. Allman cho biết thì "Giai đoạn cuối cùng trong việc chuẩn bị lật đổ Sihanouk là một loạt cuộc họp bí mật giữa một số nhân vật cấp cao tại Phnompenh trong những tháng đầu năm 1970, một số cuộc họp được tổ chức trong nhà riêng của Lon Nol và Sirik Matak, một số nữa được tiến hành trên xe ô tô để tránh bị cảnh sát mật của Sihanouk theo dõi".[15]

Tuy nhiên, các cuộc bạo loạn đang leo thang vượt ngoài tầm kiểm soát của chính phủ mặc dù điều này có thể được thực hiện với một mức độ khuyến khích từ Lon Nol và Sirik Matak và Đại sứ quán đã bị cướp phá nghiêm trọng. Bên trong, một bản "kế hoạch dự phòng" cho rằng đã phát hiện những người cộng sản tới chiếm đóng Campuchia. Ngày 12 tháng 3, Sirik Matak ra lệnh hủy bỏ thỏa thuận thương mại giữa Sihanouk với Bắc Việt; Lon Nol đóng cửa cảng Sihanoukville, nơi cung cấp chủ yếu vũ khí và đạn dược của Bắc Việt cho Quân Giải phóng Miền Nam Việt Nam và đưa tối hậu thư yêu cầu tất cả lực lượng Quân đội Nhân dân Việt Nam và Quân Giải phóng Miền Nam Việt Nam phải rút khỏi đất Campuchia trong vòng 72 giờ (tính đến ngày 15 tháng 3) hoặc phải đối mặt với hành động quân sự.[16] Tới sáng ngày 16 tháng 3, đối phương kiên quyết bác bỏ tối hậu thư và vẫn tiếp tục xâm nhập sâu hơn vào chiến khu, hành động này khiến khoảng 30.000 thanh niên tụ tập bên ngoài Quốc hội ở Phnom Penh để phản đối sự hiện diện của phía Việt Nam.

Từ thời điểm này, các sự kiện chuyển biến nhanh chóng gia tăng nhất là trong ngày 16 tháng 3 đã diễn ra nhiều cuộc biểu tình chống đối lẫn nhau giữa những người trung thành với Sihanouk và những kẻ theo phe đảo chính, gây hoang mang trong các nghị sĩ đang họp tại toà nhà Quốc hội. Có những người đã ngả theo phía Lon Nol - Sirik Matak nhưng lại khiếp hãi trước sự phẫn nộ của nhân dân, có những người lưỡng lự chưa biết nên theo phía nào. Suốt ngày hôm đó đã diễn ra cảnh hỗn độn giữa nhiều khuynh hướng khiến cho phe chủ mưu không thực hiện được đòn quyết định như đã dự tính.[17] Cùng ngày, Bộ trưởng Quốc phòng Campuchia là Đại tá Oum Mannorine (anh rể Sihanouk) dự kiến sẽ dự phiên thẩm vấn của các cơ quan lập pháp quốc gia về cáo buộc tham nhũng; vụ kiện đã được hoãn lại khi nghe về vụ việc do người biểu tình gây ra.

Tối hôm đó có một cuộc họp nữa tại nhà riêng của Sirik Matak. Lon Nol quyết định sử dụng lực lượng quân đội dưới quyền để bắt giữ Ban chỉ huy lực lượng an ninh ở Phnompenh thuộc phe Sihanouk. Nguồn tin này được cấp tốc báo cáo với Thiếu tá Buor Horl cảnh sát trưởng Phnompenh. Buor Horl báo cáo lại với Đại tá Oum Mannorine và cùng đi tới kết luận là dùng các lực lượng trung thành cố gắng bắt giữ những kẻ chủ mưu ngay trước khi họ khởi sự nhưng đã quá muộn.[18] Mannorine và những nhân viên an ninh quan trọng khác còn trung thành với Sihanouk đã bị đám cảnh sát và binh lính kéo tới bao vây và đành chịu quản thúc ngay tại nhà riêng. Trước đó, Lon Nol cũng đã được Sơn Ngọc Thành hứa sẽ huy động lực lượng vũ trang Khmer Tự do và những đơn vị lính biệt kích người miền núi do CIA huấn luyện cùng với lực lượng quân đội Việt Nam Cộng hòa hỗ trợ khi cần thiết. Đó là những yếu tố thúc đẩy Lon Nol hành động gấp.[19]

Từ đêm 16 đến hết ngày 17 tháng 3, không chỉ có Đại tá Mannorine cùng Thiếu tá Buor Horl bị bắt giữ mà cả Đại tá Hua Truk đang giữ chức tỉnh trưởng Kirirom một tỉnh miền núi có ý nghĩa chiến lược của Campuchia; Đại tá Trau Xamrach, Tư lệnh binh chủng lính dù và khoảng mười lăm nhân vật quan trọng khác trong đó có tỉnh trưởng Kandal, một tỉnh sát gần Phnompenh. Cả Tư lệnh binh chủng thông tin cũng bị giết vì cự tuyệt lệnh bắt giữ. Sau khi Quốc hội hoãn lại trong ngày thì Thái hậu Kossamak (mẹ Sihanouk) theo yêu cầu của Sihanouk, vội triệu tập Lon Nol và Sirik Matak vào Cung điện Hoàng gia và yêu cầu họ chấm dứt các cuộc biểu tình chống Việt Nam.[20]

Trước khi khởi sự, Sirik Matak đã thuyết phục được Lon Nol trong việc loại bỏ Sihanouk và giải tán chính phủ của ông ta. Lon Nol, cho đến thời điểm đó có thể đã hy vọng rằng Sihanouk sẽ sớm kết thúc mối quan hệ của ông với Bắc Việt, cho thấy lúc ban đầu Lon Nol từ chối ủng hộ việc lật đổ chính phủ Sihanouk, buộc lòng Sirik Matak phải cho chạy một cuộn băng ghi âm lại một cuộc họp báo từ Paris, trong đó Sihanouk khiển trách họ vì sự bất ổn chính trị và dọa sẽ xử lý cả hai khi ông trở về Phnom Penh.[21] Tuy nhiên, Thủ tướng vẫn không chắc chắn về việc kích động một cuộc bỏ phiếu trong Quốc hội. Vào tối ngày 17 tháng 3 năm 1970, Sirik Matak cùng với ba viên sĩ quan quân đội, đã vội vàng đi đến Phủ Thủ tướng và chĩa súng dọa bắn để buộc Lon Nol phải ký các văn kiện trọng yếu. Vào lúc đó, Lon Nol tuyên bố đóng cửa sân bay, đồng thời còn thiết lập các lớp rào kẽm gai suốt dọc đường từ sân bay về trung tâm thủ đô. Trong nội đô tại các ngã tư đường phố đều bố trí các ổ súng máy. Xe tăng và xe bọc thép tuần tiễu trên các ngả đường. Với lực lượng và kiểu cách bố trí này, Lon Nol cố tình cản trở những người dân Phnompenh biểu tình phản đối như đã từng làm trong ngày 16 tháng 3, đồng thời cũng để uy hiếp số nghị sĩ dè dặt trong Quốc hội. Chỉ sau khi quân đội của Lon Nol đã bắt giữ chính quyền dân sự ở Phnompenh và bố trí xe tăng bao vây toà nhà Quốc hội, lúc đó cuộc bỏ phiếu truất phế Sihanouk mới được tiến hành.[22]

Tiếp theo những cuộc biểu tình nhỏ ở Svay Rieng diễn ra trong cùng thời điểm tiến hành đảo chính, những người chủ mưu còn chỉ thị tổ chúc những cuộc biểu tình lớn hơn ở Phnompenh. Chính phủ do Lon Nol đứng đầu đã đẩy các sinh viên đi biểu tình và các sĩ quan trong Hội Liên hiệp thanh niên do chính phủ lập ra đã dùng loa phóng thanh lôi kéo các sinh viên tới tụ tập trước cổng các sứ quán cộng sản. Việc đập phá các sứ quán là do Bộ Tổng tham mưu Campuchia tổ chức, được thực hiện bởi các sĩ quan và cảnh sát mặc thường phục của Lon Nol. Ngoài ra, trong những đội ngũ biểu tình này không chỉ có quân đội và cảnh sát mà còn có cả những lính biệt kích do CIA tuyển mộ trong số các dân tộc ít người của Campuchia rồi đưa về.[23] Những cuộc biểu tình ngày 11 tháng 3 chỉ là phần đầu trong kế hoạch lật đổ Sihanouk. Những người trong cuộc cho biết trong chương trình hành động có hai cuộc biểu tình. Cuộc biểu tình ngày 11 tháng 3 nhằm tạo ra cuộc khủng hoảng chính trị. Cuộc biểu tình tiếp theo vào ngày 16 tạo cớ để truất phế Sihanouk. Tuy nhiên những cuộc biểu tình chống Sihanouk tiến hành trong ngày 16 tháng 3 đã gặp thất bại vì bị những người trung thành với Sihanouk bao vây phản đối ngay trước trụ sở Quốc hội. Cảnh sát Phnompenh lúc đó hãy còn trung thành với Sihanouk đã bắt giữ khoảng hai mươi tên khiêu khích giữa lúc bọn họ đang rải truyền đơn chống Sihanouk trên đoạn đường tiến về phía trụ sở Quốc hội. Trong khi đó những phần tử chống Sihanouk đang tập hợp trong Quốc hội, trong đó có In Tam lúc đó đang giữ chức Bộ trưởng Nội vụ nóng lòng chờ đoàn biểu tình kéo đến tạo sức ép sẽ thúc đẩy Quốc hội tuyên bố truất phế Sihanouk.[24]

Dưới sự đạo diễn của Sirik Matak và trước sự uy hiếp của Lon Nol, Quốc hội đã bắt đầu bằng việc bỏ phiếu bãi bỏ Hiến pháp cũ để mở ra "một kỷ nguyên mới của nền cộng hoà tự do dân chủ nhưng lại tán thành một chế độ độc tài quân sự" và cuối cùng mới truất phế Sihanouk bằng một cuộc bỏ phiếu kín, những người ký vào lá phiếu đồng ý hay không đồng ý truất phế đều phải viết phiếu dưới sự giám sát của các nhân viên chính phủ Lon Nol trước khi bỏ phiếu vào thùng. Trước sự bao vây uy hiếp của quân đội ở bên ngoài và cả bên trong trụ sở Quốc hội và sau những vụ bắt giữ liên tục xảy ra trong ngày hôm trước, cuối cùng Quốc hội Campuchia cũng nhất trí quyết định chính thức truất phế Sihanouk. Đúng ngày 18 tháng 3, quân đội đã chiếm lĩnh những vị trí quan trọng xung quanh thủ đô, và một cuộc tranh cử ngay lập tức được tổ chức trong Quốc hội dưới sự chỉ đạo của In Tam. Một thành viên của Quốc hội (Kim Phon, sau này bị những người biểu tình ủng hộ Sihanouk giết chết ở Kompong Cham) bỏ qua các vụ kiện để phản đối, mặc dù không bị hại vào thời điểm đó. Phần còn lại của Quốc hội đã bỏ phiếu nhất trí dựa theo Điều 122 của hiến pháp Campuchia, rút lại phiếu tín nhiệm của Sihanouk. Lon Nol chính thức nắm quyền chấp chính dựa trên tình trạng khẩn cấp còn chức vụ Quốc trưởng do Chủ tịch Đại hội đồng, Cheng Heng kế nhiệm. In Tam được bầu làm Chủ tịch Đảng Sangkum nhằm thay thế cho cựu chủ tịch Sihanouk đang sống lưu vong. Cuộc đảo chính, do đó đều tuân theo các hình thức hiến pháp cơ bản chứ không phải là một bằng chứng hiển nhiên về sự tiếp quản quân sự. Những sự kiện này đánh dấu bước thành lập của nước Cộng hòa Khmer.[25]