8月20日，国家紧急状态委员会没有采取什么重大行动。亚纳耶夫发布一项命令，指出俄罗斯总统叶利钦发布的命令旨在攫取苏联最高权力机关和管理机关的权限和使共和国执行机构享有联盟机关的权限，是违背宪法和法律的，责成俄罗斯联邦所有政权和管理机构及其负责人必须“绝对执行苏联国家紧急状态委员会的决定”。命令宣布叶利钦8月19日发布的4项命令“自颁布之日起没有法律效力”。命令要求苏联护法机关的领导人“保证俄罗斯联邦内务、国家安全和检察机关的工作人员遵守苏联宪法和法律以及苏联国家紧急状态委员会的决定”。
莫斯科市卫戍司令加里宁宣布，从8月20日23时起至凌晨5时在莫斯科实行宵禁。
苏联国家紧急状态委员会要求俄罗斯广播电视委员会服从全苏广播电视公司的领导。苏联内务部撤销俄罗斯内务部关于向莫斯科调遣数百名军事学院武装学员的命令。
与此相反，俄罗斯领导人及其拥护者在8月20日采取了一系列行动。上午9时，约5万名游行者聚集在俄罗斯议会大厦旁，表示要保卫大厦。西伯利亚煤矿工人罢工人数增多。中午13时36分，俄罗斯总统叶利钦、副总统鲁茨科伊、议会代主席哈斯布拉托夫、政府总理西拉耶夫联名致信苏联最高苏维埃主席卢基扬诺夫，并要求：在收到信的24小时内会见戈尔巴乔夫；在三天内对戈尔巴乔夫进行有世界卫生组织专家参加的医疗检查，并将检查结果公布于众；取消对俄罗斯所有舆论工具活动的限制；在俄罗斯联邦8月21日召开最高苏维埃非例行会议期间停止在俄联邦境内实行紧急状态；将军队撤回原驻地；确保俄罗斯总统不受阻碍地行使职权；停止对俄罗斯领导的威胁，确保他们不受侵犯和自由出入；解散苏联国家紧急状态委员会，撤销其所有命令和决定。卢基扬诺夫会见了鲁茨科伊、哈斯布拉托夫和西拉耶夫，答应保证8月21日俄罗斯联邦最高苏维埃会议正常进行，进驻莫斯科的军队返回原驻地，保证俄领导人不受威胁。
叶利钦声明，他开始接管俄罗斯境内的武装部队，宣布苏联国防部长亚佐夫8月18日以后发布的所有命令无效。命令部署在俄罗斯境内的苏联军队和克格勃军队原地待命，所有离开原驻地的部队必须立即返回。叶利钦还任命谢尔巴科夫少将为列宁格勒军区司令。下午，叶利钦还先后与美国总统布什和英国首相梅杰通话，寻求国际支持，呼吁西方要求释放戈尔巴乔夫。
莫斯科市市长波波夫、列宁格勒市长索布恰克公开反对国家紧急状态委员会www.souquanme.com，支持叶利钦。俄罗斯最高苏维埃国家事务委员会主席卢金在记者招待会上说，约有70%的地方政权机关的领导人支持俄罗斯领导。
一些军人开始倒戈。原定于8月20日凌晨3时攻占俄罗斯议会大厦，但因克格勃特种部队“阿尔法”小组拒绝执行命令而夭折（“阿尔法”小组服从克格勃主席并直属苏联克格勃第九局）。驻守在莫斯科周围的多数师的指挥官拒绝出动。驻萨哈林、堪察加等地的远东苏军表示支持俄罗斯总统。
8月20日，各加盟共和国的形势也发生了不利苏联国家紧急状态委员会的变化。哈萨克斯坦总统纳扎尔巴耶夫发表正式声明：“宣布紧急状态只能以宪法和法律为基础”，苏联国家紧急状态委员会“在没有苏联共和国最高苏维埃的参加下制定出公开违法的文件”。他希望听到戈尔巴乔夫本人的意见，建议立即在苏联最高苏维埃会议上讨论政治形势，在10天内召开苏联非常人民代表大会。摩尔多瓦总统斯涅古尔发布命令宣布苏联国家紧急状态委员会的决定和命令在该共和国境内不具有法律效力。摩尔多瓦总理穆拉夫斯基发布命令，禁止在该共和国发行《劳动报》、《工人论坛报》、《真理报》、《消息报》、《红星报》、《苏维埃俄罗斯报》、《农村生活报》、《莫斯科真理报》。格鲁吉亚总统加姆萨胡尔委阿发表呼吁书，要求西方国家支持苏联的民主、多党制以及人民选出的议会和总统。
8月21日是事变的第三天。凌晨，国家紧急状态委员会采取行动。零时的钟声刚刚敲响，空降兵的一队军车从美国大使馆方向驶向俄罗斯议会大厦旁的路障。打头的那辆军车遭到拦阻，士兵对空实弹射击。第一批军车穿过美国大使馆旁的人墙，向新阿尔巴特街方向开去。20辆装甲车冲破新阿尔巴特街第一批路障，驶向俄罗斯议会大厦。
莫斯科响起了零星枪声。一名试图打开装甲车仓门的青年被击毙。纠察队用帆布蒙住了空降兵装甲车的瞭望孔，迫使一辆装甲车退回新阿尔巴特街下面的隧道里。一些记者围上来，一名少校军官告诉俄通社记者说，今天夜里将进攻俄罗斯议会大厦。为此准备了30辆坦克和40辆装甲运兵车，有近千人将参加战斗。现在武装部队正从列宁大街方向和捷普雷斯坦方向开过来。
但是，军队的装甲运兵车并没有通过由无轨电车构成的屏障，1时30分退回到新阿尔巴特街。在美国大使馆区有两名叶利钦的支持者被打死，一些人受伤。
此后，军队停止前进。部分军//www.souquanme.com队倒戈，支持叶利钦。军队开始撤离莫斯科。普利沃尔日斯克——乌拉尔军区等一些军区公开表示支持叶利钦。
中午时分，叶利钦在俄罗斯最高苏维埃非常会议上宣布：他已经控制了在俄罗斯的武装力量。许多部队，尤其是塔曼步兵师、坎捷米罗夫卡师以及空降兵集群已经转向俄罗斯联邦方面并且执行俄罗斯总统的命令。空降兵图拉兵团没有攻打俄罗斯议会大厦，反而保护了这座大厦。叶利钦还向会议通报，国家紧急状态委员会部分成员已来到莫斯科的伏努科沃机场，要求俄罗斯内务部和克格勃派人立即封锁该机场。
形势急转直下。下午16时，苏联国防部举行记者招待会，宣布国防部部务会议决定把部署在紧急状态地区的军队撤回原驻地。莫斯科卫戍司令加里宁发布通告，说在首都莫斯科“实行宵禁是不合适的”。决定从8月21日起解除首都的宵禁。塔斯社还发表通告：前苏联国家紧急状态委员会8月19日关于限制中央、莫斯科市和州社会政治出版物出版的规定予以撤销。
俄罗斯联邦最高苏维埃非常会议于下午17时决定向国家紧急状态委员会发出最后通牒；立即解散国家紧急状态委员会；释放戈尔巴乔夫；在全国解除紧急状态。会议获悉克留奇科夫、亚佐夫和季贾科夫等人前去克里米亚会搜趣网见戈尔巴乔夫的消息后，决定派俄罗斯联邦副总统鲁茨科伊和政府总理西拉耶夫也去克里米亚会见戈尔巴乔夫。
鲁茨科伊和西拉耶夫带了36名全副武装的特种部队民警立即出发，随行的还有苏联安全会议成员巴卡京和普里马科夫，几名俄罗斯议员，两名医疗专家。另外还有几名苏联记者、法国驻苏公使佩西克、哈萨克驻莫斯科代表捷米尔巴耶夫。
鲁茨科伊等人在飞机前舱商议了三种作战方案：1.在戈尔巴乔夫别墅10公里处发最后通牒；2.包围别墅发最后通牒；3.突击营救戈尔巴乔夫。鲁茨科伊还搜趣网在飞机上给海军司令切尔纳温去电，要示派海军陆战队增援，并保证俄罗斯专机在塞瓦斯托波尔附近的一个军用机场降落。
下午19时，飞机抵达克里米亚别利别克机场。克里米亚自治共和国最高苏维埃主席巴格罗夫去机场迎接，建议先给戈尔巴乔夫打个电话。西拉耶夫说：“我们直接去。”
总统别墅一片寂静。俄罗斯代表团、记者和医生被安排在别墅电影厅等候。有人寸步不离地盯着他们，并告诉他们：卢基扬诺夫、伊瓦什科（苏共副总书记）、克留奇科夫、亚佐夫、季贾科夫等人已先期到达。
半个多小时后，俄罗斯代表团被请到主楼。戈尔巴乔夫先同代表团全体成员见面，然后同鲁茨科伊、西拉耶夫以及卢基扬诺夫、伊瓦什科谈话，没有理睬克留奇科夫、亚佐夫、季贾科夫等人。
晚上21时许，戈尔巴乔夫发表声明，宣布他已完全控制局势，一度中断的同外部的联系也已恢复，过几天他就可以完全履行总统职责。
深夜，戈尔巴乔夫夫妇、女儿、外孙女和俄罗斯代表成员乘车到机场。戈尔巴乔夫一家乘上了俄罗斯代表团的“图——134”客机，还带上克留奇科夫作人质。卢基扬诺夫、亚佐夫等人乘他们来时坐的飞机。两架飞机同时飞回莫斯科。
8月22日凌晨2时，飞机抵达莫斯科。鲁茨科伊让俄罗斯突击队员下去一人，确信忠于叶利钦的斯坦凯维奇等人在场，才同戈尔巴乔夫等人一起走下飞机。
与此同时，逮捕工作已经开始。亚佐夫走下飞机后，俄罗斯内务部特工人员暗中押送他走进机场大楼。这时俄罗斯内务部长巴兰尼科夫拍拍亚佐夫贴身保镖的肩膀说：“行了，你的任务完成了。”亚佐夫对走在身旁的巴克拉诺夫说：“哎，好像是抓我咧……”
亚佐夫坐进汽车，懊丧地把元帅帽往车座上一扔，咕噜了一句：“哎，晚了一步……”
克留奇科夫被捕时很冷静。执行逮捕令的俄罗斯内务部副部长杜纳耶夫问他：“您知道会受到什么惩罚吗?”答曰：“对我和紧急状态委员会其他成员的审判不会给俄罗斯和苏联带来荣耀。”在机场同时被逮捕的还有季贾科夫。
8月21日下午4时，在政变之初就隐藏在克里姆林宫地下室中的两名忠于戈尔巴乔夫的助手，制服了亚纳耶夫身边仅有的一名卫士，破门而入，闯进亚纳耶夫的办公室。亚纳耶夫问：“每个人都被逮捕了吗?”其中—位——韦尼阿明亚林骗他说：“是的。”亚纳耶夫解释说，他加入国家紧急状态委员会是为了避免流血。亚林说：“我并非授权来此同你进行讨论。”他命令亚纳耶夫不得离开办公室，然后离去。亚纳耶夫神情沮丧，连喝两瓶伏特加后醉倒。次日晨，亚纳耶夫被押走。
苏联内务部长普戈在家里接到有人要来找他的电话，平静地说：“请吧。”15分钟后，俄罗斯内务部的人赶到他家里，普戈已开枪自杀。枪是对着嘴开的，一弹毙命。其妻身中两弹，奄奄一息。
因高血压正在接受治疗的苏联总理帕夫洛夫被就地监护。
人民代表没有苏联最高苏维埃主席团的批准不受逮捕。8月22日，苏联最高苏维埃主席团举行会议，同意苏联总检察长的报告，对原人民代表巴克拉诺夫、博尔金、瓦连尼科夫、斯塔罗杜布采夫和舍宁追究刑事责任和逮捕。
8月26日，苏联最高苏维埃决定暂停卢基扬诺夫最高苏维埃主席职务。29日，被叶利钦称为“政变军师”的卢基扬诺夫被俄罗斯联邦检察机关关押。