事实正如宣帝所料，张赦案被搁置后，霍山、霍云、霍禹等人更加惶恐不安，他们担心时间久了，宣帝会继续追查此案，最终牵连出许皇后之死的真相，到那时，霍氏家族将万劫不复。在这种极度的恐惧与焦虑中，霍氏集团最终决定：“先动手为强”，提前发动叛乱。
地节四年（前66年）秋七月，霍氏集团制定了详细的谋反计划：他们打算借上官太后的名义，在宫中设宴邀请丞相魏相、平恩侯许广汉等宣帝亲信，待众人赴宴时，埋伏武士将其杀死；随后，再以太后诏书的名义罢黜汉宣帝，拥立霍禹为帝，从而彻底掌控西汉政权，保住霍氏家族的地位与性命。
然而，霍氏集团的阴谋早已被宣帝察觉。宣帝在逐步削夺霍氏权力的同时，也早已对霍氏集团的动向进行了严密监控，甚至在霍氏集团内部安插了眼线。因此，当霍氏集团刚刚约定好谋反的时间与细节，尚未正式实施计划时，宣帝便率先采取了行动——他以“调任地方官职”为由，任命霍云为玄菟太守（玄菟郡位于今朝鲜半岛北部，远离京城中枢），任命霍氏集团的亲信太中大夫任宣为代郡太守（代郡位于今河北张家口一带，同样远离京城），以此分散霍氏集团在京城的核心力量。
紧接着，宣帝又抓住了霍山的一个“小辫子”——霍山因私自抄写宫禁秘书（汉代宫禁秘书属于国家机密，严禁私人抄写）而触犯法律。霍显得知此事后，深知这是宣帝对霍氏集团的进一步打压，便急忙上书宣帝，请求献出自己位于城西的宅第和一千匹马来“赎霍山的罪”，试图以此缓和与宣帝的关系。然而，宣帝对此只在奏书上批复了“知道了”三个字，既不接受也不拒绝，态度冷淡，这让霍氏集团更加意识到：宣帝早已下定决心要彻底清除他们，任何妥协与退让都无济于事。
就在霍氏集团陷入绝望之际，他们谋反的计划被宣帝安插的眼线彻底告发。宣帝见时机成熟，立即下令展开全面抓捕行动。霍云、霍山得知阴谋败露后，深知自己难逃一死，便选择了自杀；霍光之妻霍显、霍光之子霍禹、霍氏集团的核心亲信邓广汉等人则被官兵捕获，关押至廷尉狱。
在对霍氏集团的审判中，宣帝秉持“罪罚相当”的原则，对主谋者予以严惩：霍禹因是谋反的核心人物，被判处腰斩（汉代极为严厉的刑罚，用于惩治重罪）；霍显作为毒杀许皇后与参与谋反的主谋之一，被判处死刑，其几个女儿与兄弟也因参与霍氏集团的专权与谋反，一同被处死；与霍氏集团相连的数千户人家（包括其亲信、党羽、族人等），因牵涉谋反重罪，也被依法诛灭。
在严厉打击霍氏集团的同时，宣帝也展现出了“仁政”的一面——他随即下诏公开霍氏谋反的罪行，并明确规定：所有被霍氏集团连累的人，只要事情发生在丙申日（谋反计划败露的前一日）以前，且尚未被发觉报官在押的，一律赦免。这一举措，既避免了“株连过广”引发的社会动荡，也向朝野传递出“只惩首恶、不诛无辜”的信号，稳定了人心。
同年八月己酉日，宣帝下诏废黜霍皇后（霍光之女霍成君）。霍成君之所以能成为皇后，本就是霍显毒杀许皇后的结果，如今霍氏集团谋反被诛，霍成君自然也失去了皇后的资格，被废后迁往昭台宫居住，后又迁往云林馆，最终自杀身亡。
至此，在西汉朝廷中盘踞了十几年的霍家势力一朝覆灭。从霍光辅政到霍氏谋反，从宣帝隐忍到雷霆反击，这场持续数年的权力斗争，最终以宣帝的彻底胜利告终。宣帝通过清除霍氏势力，不仅确立了自己的绝对统治地位，更扫除了西汉政权发展道路上的障碍，为后续“孝宣中兴”的出现奠定了坚实的政治基础。
彻底掌控政权后，宣帝终于可以大刀阔斧地施政：他整顿吏治，严惩贪官污吏，提拔有才干的寒门士子；轻徭薄赋，减轻百姓负担，鼓励农业生产；加强边疆治理，多次派兵击败匈奴与西羌，巩固了西汉的边疆稳定；重视文化教育，整理儒家经典，推动文化繁荣。在宣帝的治理下，西汉王朝迎来了继“文景之治”后的又一个盛世，史称“孝宣中兴”，而宣帝本人也因其卓越的政治才能与治国成就，成为西汉历史上极具影响力的帝王之一。史学界认为，汉宣帝的政绩应该高过汉武帝，只是由于种种原因，他的名声不显，远不及人们对汉武帝的歌功颂德。