В ночь с 9 на 10 июля Муравьёв, бросив штаб фронта в Казани, без ведома Реввоенсовета фронта погрузил два лояльных себе полка на пароходы и отбыл из города. Перед мятежом успел приказом по фронту перебросить из Симбирска в Бугульму местную коммунистическую дружину.

11 июля он с отрядом в тысячу человек. прибыл на пароходе «Мезень» из штаба фронта, размещавшегося в Казани, в Симбирск, занял стратегические пункты города и арестовал руководящих советских работников (в том числе командующего 1-й армией М. Н. Тухачевского, а также зампреда губисполкома К. С. Шеленкевича, политкомиссара штаба Симбирской группы войск А. Л. Лаврова и других большевиков.

Выступил против заключённого Брестского мира с Германией, объявил себя «главкомом армии, действующей против Германии», телеграфировал в СНК РСФСР, германскому посольству в Москве и командованию Чехословацкого корпуса об объявлении войны Германии. Войскам фронта и Чехословацкому корпусу (с которым он до мятежа и должен был воевать) предписывалось двигаться к Волге и далее на запад для отпора германским войскам, якобы начавшим в это время наступление.

Выступил с инициативой создания так называемой Поволжской Советской Республики во главе с левыми эсерами Спиридоновой, Камковым и Карелиным. Планировал привлечь на свою сторону чехословаков и офицеров. На сторону Муравьёва перешли левые эсеры: командующий Симбирской группой войск и Симбирским укрепрайоном Клим Иванов и начальник Казанского укрепрайона Трофимовский.