同年，柴荣离世，皇位由年仅七岁的柴宗训继承，赵匡胤又被改封为归德军节度使、检校太尉。次年正月初一，有传言说契丹与北汉联合挥兵南下。消息虚实无从得知，宰相范质随即派赵匡胤带兵前去抗敌。次日，赵匡胤率军离开，并夜宿于陈桥驿。是夜，赵匡胤的心腹将士四处散播：“皇帝年纪尚小，无法亲政。最终谁能知道我们拼命为国而战的事？还不如现在将赵匡胤拥立为帝，然后我们再上阵杀敌。”在这样的舆论煽动下，将士们有了兵变之心。正月初三，赵匡胤之弟赵匡义与心腹赵普看准时机，授意将士把早就备好的黄袍披在佯装酒醉初醒的赵匡胤身上，然后又纷纷在廷下行跪拜之礼，山呼万岁，表示要拥立赵匡胤为帝。赵匡胤见了便装作一脸为难地说：“你们是因为贪图富贵，所以才拥我为帝。要是能听我的命令那还好，要是不听的话，我也不能当你们的天子。”

众人听了这话，齐声表示愿意对赵匡胤唯命是从。于是，赵匡胤当众宣布：“届时到了开封，不得惊犯后周的太后与幼帝，不可欺凌公卿，不可掠夺朝市府库。遵守此命令的人皆有赏，反之则族诛。”众将齐声称是。就这样，赵匡胤带着兵变人马回到开封。

那时奉命驻守开封的主要禁军将领乃是赵匡胤先前的结拜弟兄石守信、王审琦等。他们得知兵变成功后，大开城门迎接赵匡胤。同是后周禁军将领的侍卫亲军马步军副都指挥使韩通闻讯还想抵抗，只是由于时间仓促，未能来得及召集人马便被军校王彦升杀害。如此一来，赵匡胤等人不费一兵一卒便将开封拿下。

这时候范质等人才知道上当了，但是大局已定，他们也只好率众臣听命。翰林学士陶谷随即将一份早就拟好的禅代诏书拿出，宣布柴宗训退位，拥赵匡胤为新帝。赵匡胤轻松地把后周政权收入囊中，并将柴宗训改封为郑王。因为后周时赵匡胤所属的藩镇是宋州，因而赵匡胤将国号定为宋，以开封为京都，改元“建隆”。

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赵匡胤死亡之谜

据载，公元976年十月十九日晚，赵匡胤屏退左右，在一个房间里召见晋王赵匡义。当时房间里只有赵匡胤与弟弟赵匡义两人，左右侍从无法听到他们的谈话内容，只能远远看到室内烛影下两人正谈话的样子。过了一会儿，只听赵匡胤用斧头重重地捶打了一下地面，说道：“好做！好做！”后来谈话结束，赵匡义离开，而赵匡胤却在万岁殿中离奇死亡。随后赵匡义迅速登基，即宋太宗。而赵匡胤的死亡是否与赵匡义有关，至今都还是个谜，那夜的事情则被称为“烛影斧声”。