Október 24-én hajnalban a szovjet honvédelmi miniszter, Georgij Zsukov parancsára a szovjet csapatok bevonultak Budapestre. Szovjet harckocsik sorakoztak fel az Országház körül, valamint a hídfőknél és a legfontosabb útkereszteződéseknél. A felfegyverzett forradalmárok válaszul a város több pontján barikádokat emeltek, és megkezdődtek az utcai harcok. A magyar rádió az Akadémia utcai pártközpontban berendezett stúdióból ugyanakkor folyamatosan ismételte az előző esti véleményt: fasiszta, reakciós elemek támadást intéztek a középületek ellen. Ezalatt az MDP vezetősége megerősítette pártfőtitkári pozíciójában Gerő Ernőt, és a forradalom leverésére katonai bizottság alakult, amely együttműködésről állapodott meg a székesfehérvári különleges szovjet hadtesttel. Ugyanakkor azonban a nép által követelt kormányfőváltást is végrehajtották: a kormány ülésén Hegedüs Andrást leváltották és Nagy Imrét nevezték ki miniszterelnökké. (Lásd: Második Nagy Imre-kormány!)

Nagy Imre legelőször is betiltotta a gyülekezéseket, valamint kijárási tilalmat és statáriumot rendelt el, majd délben miniszterelnöki rádióbeszédet mondott. A felkelőket a harcok beszüntetésére szólította fel, és ígéretet tett az 1954-ben félbeszakadt politikai reformok folytatására. Ennek ellenére egész nap folytatódott a fegyveres ellenállási csoportok kialakulása a város különböző pontjain: Csillaghegyen, a Baross téren, a Corvin köznél (corvinisták), a VIII. és IX. kerület déli részén, a Tompa utcában és a Berzenczey utcában. A felkelők a Bem laktanyából és a Timót utcai fegyverraktárból nagy mennyiségű fegyvert zsákmányoltak és az önkéntes jelentkezők ezreit fegyverezték fel. A fegyveres ellenállók sikerrel folytatták a harcot a megszállókkal szemben, és egymás után tették ártalmatlanná a szovjet harckocsikat, fogságba ejtve legénységüket. Az évek óta Magyarországon élő szovjet katonák számos esetben nyíltan barátkoztak a felkelőkkel, akik gyakran meggyőzték őket a forradalom tisztaságáról.

Délután az ÁVH-s őrök a Szabad Nép székházában fegyvertelen tüntetőket lőttek agyon és a holttesteket éppen akkor vitték ki az épületből, amikor egy csoport felfegyverzett forradalmár érkezett oda. Ettől kezdve a felkelők dühe a szovjet katonákról az ÁVH ellen fordult. A felkelők hamarosan elfoglalták az Athaeneum Nyomdát, és megkezdődött a röpcédulák gyártása. A nap folyamán az SZKP KB-küldöttségeként Anasztasz Mikojan és Mihail Szuszlov megérkeztek Budapestre azzal a moszkvai utasítással, hogy a pártfőtitkári tisztségbe Gerő helyére azonnal Kádár Jánost kell kinevezni. Este nyolc órakor Kádár már a rádióban is beszélt, és az eseményeket Gerőhöz hasonlóan ellenforradalmi felkelésnek nevezte.