Ngày 13-8-1945, Hội nghị toàn quốc của Đảng họp tại Tân Trào (Sơn Dương, Tuyên Quang), gồm đại biểu các đảng bộ và một số đại biểu hoạt động ở nước ngoài. Hội nghị nhận định: "Những điều kiện khởi nghĩa ở Đông Dương đã chín muồi…
Quân lính Nhật tan rã, mất tinh thần, hàng ngũ chỉ huy quân Nhật ở Đông Dương chia rẽ đến cực điểm, bọn Việt gian thân Nhật hoảng sợ, toàn dân tộc đang sôi nổi đợi giờ khởi nghĩa giành quyền độc lập". Hội nghị chủ trương kịp thời lãnh đạo toàn dân Tổng khởi nghĩa giành chính quyền và cử ra Uỷ ban Khởi nghĩa toàn quốc.
14 giờ 40 ngày 16-8-1945, một đơn vị Giải phóng quân, trong đó có một bộ phận bộ đội Việt - Mỹ, dưới cây đa Tân Trào làm lễ xuất phát, hướng về Thái Nguyên. Trong những ngày này các châu, huyện trong tỉnh cũng được lệnh của Uỷ ban Khởi nghĩa đưa lực lượng của địa phương phối hợp với Quân giải phóng đánh chiếm thị xã Thái Nguyên.
13 giờ ngày 19-8-1945, bộ đội giải phóng đã có mặt đông đủ ở làng Thịnh Đán (nay thuộc phường Tân Thịnh, thành phố Thái Nguyên), lực lượng gồm 3 đại đội, tất cả khoảng 450 người, được tổ chức thành một chi đội do đồng chí Lâm Cẩm Như (tức Lâm Kính) làm chi đội trưởng. Bộ chỉ huy trận đánh có hai đồng chí Võ Nguyên Giáp và Trần Đăng Ninh. Giúp việc có các đồng chí Phan Mỹ, Nguyên Chính, Châu Ký và Hùng Việt.
Tối 19-8-1945, Bộ chỉ huy Quân giải phóng triệu tập một cuộc họp chung với cán bộ lãnh đạo tỉnh để thống nhất lực lượng và hoạt động chung "Khởi nghĩa giải phóng thị xã Thái Nguyên". Ban Tỉnh uỷ lâm thời Thái Nguyên cũng đã được thành lập gồm các đồng chí Nhị Quí, Lê Trung Đình, Hoàng Thế Thiện, Đào An Thái, Nguyễn Thị Tân.
Lúc này, địch trong thị xã đóng thành hai cụm, một cụm lính Nhật và một cụm lính bảo an.
Hai giờ chiều ngày 19-8-1945, một cuộc mít tinh quần chúng đông tới hơn 5.000 người trong thị xã và các xã lân cận của huyện Đồng Hỷ. Tại sân vận động thị xã, đồng chí chỉ huy trưởng đội võ trang tuyên truyền quyết định biến cuộc mít tinh thành cuộc biểu tình biểu dương lực lượng. Đi đầu là đội vũ trang tuyên truyền. Đồng bào vừa đi vừa hô khẩu hiệu "Đả đảo phát xít Nhật", "đả đảo bọn bù nhìn tay sai", "ủng hộ Việt Minh". Không khí cách mạng hừng hực. Đoàn biểu tình rầm rộ kéo qua các phố, kéo theo cả trí thức, quan lại tham gia. Quân Nhật trong thị xã "án binh bất động". Cuộc biểu dương lực lượng kết thúc vào khoảng 17 giờ.
24 giờ cùng ngày, bộ đội được lệnh xuất quân chiếm lĩnh vị trí chiến đấu, 4 giờ sáng 20 - 8 - 1945, các trận địa bố trí xong và sẵn sàng chiến đấu.
Ngay trong buổi sáng 20-8-1945, sau khi giải quyết xong trại bảo an, Quân giải phóng tập trung lực lượng tiến công quân Nhật trong trại lính khố xanh. Đúng 7 giờ 30 phút, các cỡ súng của Quân giải phóng nhất loạt nổ vào cứ điểm của địch. Nhiều tên Nhật trong trại phải đền tội. Sau đó ta ngừng bắn để tiến hành thương lượng, yêu cầu quân Nhật hạ vũ khí đầu hàng. Quân Nhật viện cớ là sẽ phải nộp vũ khí cho quân Đồng Minh, thực chất là chúng muốn kéo dài thời gian để chờ viện binh từ Hà Nội lên.
Ngay chiều 20 - 8- 1945, ta tổ chức một cuộc mít tinh quần chúng tại sân vận động thị xã; đồng chí Võ Nguyên Giáp thay mặt Uỷ ban Khởi nghĩa toàn quốc tuyên bố bãi bỏ chính quyền của Nhật và tay sai, thành lập chính quyền nhân dân cách mạng lâm thời tỉnh Thái Nguyên, thực hiện các chính sách của Uỷ ban Giải phóng dân tộc Việt Nam. Uỷ ban Nhân dân cách mạng lâm thời tỉnh do đồng chí Lê Trung Đình làm Chủ tịch ra mắt trước hàng vạn quần chúng nhân dân. Ngày 28-8-1945, tỉnh tổ chức một cuộc mít tinh lớn ở sân vận động thị xã, hàng vạn nhân dân các huyện trong tỉnh đã về dự lễ ra mắt chính thức Uỷ ban Nhân dân cách mạng lâm thời tỉnh.
Sau khi chính quyền cách mạng tỉnh được thành lập, Quân giải phóng tiếp tục bao vây quân Nhật. Bị quân và dân thị xã siết chặt vòng vây và tiến công chủ yếu bằng hoả lực, quân Nhật không có lương ăn và thiếu nước uống nghiêm trọng. Ta vừa tiến công vừa làm công tác binh vận. Bị vây hãm chặt, ngày 24-8 quân Nhật đề nghị gặp ta và chịu nhận một số điều kiện: Giao nộp vũ khí ở các đồn lẻ Hùng Sơn (Đại Từ), Phấn Mễ, Giang Tiên (Phú Lương), Đá Gân, Phương Độ (Phú Bình), La Hiên (Võ Nhai) cho ta. Riêng số vũ khí của lính ở thị xã chúng xin lùi lại một thời gian để xin lệnh cấp trên, chịu "án binh bất động" không can thiệp vào công việc nội bộ của nhân dân ta. Ngay sau đó, tên sĩ quan Nhật đưa đồng chí Trung Đình đến các đồn lẻ tiếp nhận vũ khí của chúng, còn lính đưa về tập trung tại thị xã.
Trại Nhật vẫn bị bao vây, song chúng đã được nhân dân ta tiếp tế cho lương ăn, nước uống. Ngày 25-8-1945, Tổng khởi nghĩa hoàn toàn thắng lợi trong cả nước. Phái viên của Bộ tư lệnh Nhật cùng phái viên Bộ tham mưu của ta ở Hà Nội lên Thái Nguyên để giải quyết, quân Nhật chịu chấp nhận các điều kiện, để vũ khí lại cho Quân giải phóng, còn binh lính thì được ta phụ trách đưa về Hà Nội. Tỉnh Thái Nguyên đã hoàn toàn được giải phóng.
Chế độ thực dân thống trị gần 90 năm và chế độ quân chủ hàng ngàn năm đã bị nhân dân ta lật nhào.
Cách mạng Tháng Tám ở Thái Nguyên là một bộ phận của cuộc Tổng khởi nghĩa do Đảng, Bác Hồ lãnh đạo. Nó không những là kết quả trực tiếp của cuộc vận động giải phóng dân tộc thời kỳ 1939-1945 mà còn là kết quả của quá trình vận động cách mạng từ năm 1932-1933, khi những đảng viên cộng sản Thái Nguyên đã kiên trì vận động và lãnh đạo quần chúng (công nhân, nông dân và đồng bào các dân tộc ít người) nổi dậy đấu tranh trong cao trào 1936-1939, trong Bắc Sơn khởi nghĩa, trong 8 tháng hoạt động du kích ( tháng 7-1941 đến tháng 3-1942), trong khói đạn của cuộc đấu tranh chống khủng bố cuối năm 1944… Những cuộc đấu tranh đó thực sự là những cuộc diễn tập của Tổng khởi nghĩa Tháng Tám năm 1945. Qua các cao trào đấu tranh đó, Đảng bộ Thái Nguyên đã tích luỹ được những kinh nghiệm phong phú về nhiều mặt, nhất là biết dựa vào dân, tin cậy ở dân…
