Spór między przywódcami zakończył się 14 września 1960, kiedy pułkownik Joseph Mobutu, poparty przez prezydenta, obalił premiera w wojskowym zamachu stanu.

Okoliczności śmierci Po przewrocie Lumumba znalazł się w areszcie domowym w rezydencji premiera państwa, chroniony przez siły ONZ, otoczone żołnierzami wiernymi Mobutu, którzy zapobiegali jego ucieczce. Mobutu ogłosił, że premier będzie sądzony za próbę wzniecenia buntu w armii i inne przestępstwa. Aresztowanie premiera wzbudziło sprzeciw ZSRR. CIA obawiało się powrotu Lumumby do władzy i planowało jego zabójstwo. Podczas narady u prezydenta Eisenhowera szef CIA Allen Dulles stwierdził, że Lumumba pozostaje zagrożeniem, dopóki nie uda się go pozbyć. Plany zabicia Lumumby rozważali również Belgowie.

Przedstawiciele ONZ ostrzegali Lumumbę, że mogą go chronić jedynie na terenie rezydencji premiera. Pomimo ostrzeżeń polityk opuścił jednak swoją kwaterę 27 listopada 1960, planując udać się do Stanleyville, miasta, gdzie miał licznych zwolenników. 1 grudnia 1960 został aresztowany w Port Francqui i przewieziony do Leopoldville. Jego zwolennicy w Stanleyville ogłosili powstanie własnego państwa i powołanie własnej, niezależnej od stolicy armii. Zaapelował do ONZ o pomoc, lecz siły organizacji odrzuciły jego apel.