A nemzeti függetlenséget eltipró november 4-i második szovjet katonai invázió pecsételte meg, amely pár nappal azután következett be, hogy Nagy Imre miniszterelnök november 1-jén meghirdette Magyarország semlegességét és kilépését a Varsói Szerződésből. A fegyveres felkelők utolsó csoportjainak ellenállását november 10-11-én törte meg a szovjet túlerő.
1956. november 4-én vasárnap 0 órakor a magyarországi szovjet csapatok főparancsnokságát Kazakov hadseregtábornok vette át. Hajnalban Románia felől újabb szovjet csapatok lépték át a magyar határt. A kora hajnali órákban Soldatic jugoszláv nagykövet megkereste Szántó Zoltánt, és tájékoztatta Tito elnök üzenetéről: a jugoszláv kormány menedéket biztosít Nagy Imrének és társainak. Hajnali 4 óra 15 perckor általános szovjet támadás indult Budapest, a nagyobb városok és a fontosabb katonai objektumok ellen. A főváros védői - nemzetőrök, rendőrök és kisebb-nagyobb honvédegységek - felvették a harcot a támadókkal.
5 óra 5 perckor az ungvári rádió közleményt sugárzott, amelyben Apró Antal, Kádár János, Kossa István és Münnich Ferenc, a Nagy Imre-kormány volt miniszterei bejelentették, hogy 1956. november 1-jén minden kapcsolatot megszakítottak azzal a kormánnyal, s kezdeményezték a Magyar Forradalmi Munkás-Paraszt Kormány megalakítását Kádár János vezetésével. 5 óra 20 perckor Nagy Imre drámai hangú rádióbeszédet mondott: "Itt Nagy Imre beszél, a Magyar Népköztársaság Minisztertanácsának elnöke. Ma hajnalban a szovjet csapatok támadást indítottak fővárosunk ellen, azzal a nyilvánvaló szándékkal, hogy megdöntsék a törvényes magyar kormányt. Csapataink harcban állnak. A kormány a helyén van. Ezt közlöm az ország népével és a világ közvéleményével."
5 óra 35 perctől Nagy Imre beszédét valamennyi világnyelven is sugározta a Magyar Rádió. Valamikor 6 és 8 óra között a jugoszláv nagykövetségre érkezett Nagy Imre, Donáth Ferenc, Losonczy Géza, Lukács György, Szántó Zoltán (az MSZMP Intéző Bizottságának tagjai), valamint Fazekas György, Haraszti Sándor, Jánosi Ferenc, Rajk Lászlóné, Szilágyi József, Tánczos Gábor, Újhelyi Szilárd, Vas Zoltán és családtagjaik. Összesen negyvenhárman kaptak menedékjogot a követségen. Vásárhelyi Miklós, Nádor Ferenc ezredes (a légierők parancsnoka) és Erdős Péter egy jugoszláv diplomata lakásán kapott menedéket. Nagy Imre és Donáth Ferenc távozása után a Parlamentben maradtakhoz csatlakozott Bibó István, valamint Mindszenty bíboros, aki még aznap átment az amerikai követségre, ahol menedékjogot kapott.
Bibó István, mint a törvényes magyar kormány egyetlen, az Országgyűlés épületében maradt képviselője, kiáltványt fogalmazott. Megállapította: Magyarországnak nincs szándéka szovjetellenes politikát folytatni, visszautasítja azt a vádat, hogy a forradalom fasiszta vagy antikommunista irányzatú lett volna. Felszólította a magyar népet, hogy a megszálló szovjet hadsereget vagy az esetleg felállított bábkormányt ne ismerje el, s vele szemben a passzív ellenállás összes fegyverével éljen.
A túlerő láttán a Nagy Imre-kormány és a katonai vezetés nem kísérelte meg a fegyveres ellenállást. A szovjet csapatok - helyenként fegyveres harc után - a Magyar Néphadsereg valamennyi alakulatát lefegyverezték. Vidéken több helyen komolyabb ellenállás bontakozott ki, amelybe katonai egységek is bekapcsolódtak (többi között Békéscsabán, Dunapentelén, Szegeden). A rádió a kormány felhívását közvetítette magyar és orosz nyelven, amelyben a szovjet hadsereget a vérontás elkerülésére szólította fel. 8 óra 7 perckor a Szabad Kossuth Rádió adása megszakadt. Rövidhullámon váltakozva a Himnuszt és a Szózatot sugározták.
Budapesten a fegyveres ellenállást a megnövekedett létszámú felkelő csoportok folytatták. A szovjet csapatok délig elfoglalták a Honvédelmi Minisztériumot, a Belügyminisztériumot és a Budapesti Rendőr-főkapitányságot. A Kádár-kormány táviratot küldött az ENSZ főtitkárának, kérte a magyar kérdés levételét a napirendről. Soldatic jugoszláv nagykövet közölte Nagy Imrével Titóék üzenetét, hogy híveivel együtt ismerje el a Kádár-kormányt. Az MSZMP Intéző Bizottságának a követségen tartózkodó öt tagja ezt egyhangúlag elutasította. Eisenhower amerikai elnök tiltakozott a szovjet intervenció ellen.
A magyarországi szovjet katonai invázió hírére New Yorkban összehívták a Biztonsági Tanács ülését, és szavazásra bocsátották az előző napi amerikai határozati javaslat némileg módosított változatát. Ez felszólította a Szovjetuniót, hogy tartózkodjon Magyarországon bárminemű katonai akciótól és haladéktalanul vonja ki csapatait az országból. A javaslat elismerte a magyar nép jogát arra, hogy szabadon választott kormánya legyen. A javaslatot a Szovjetunió megvétózta (9 igen szavazat, Jugoszlávia tartózkodott), majd a kérdést rendkívüli közgyűlési ülés elé utalták. 4-én délután az ENSZ-közgyűlés rendkívüli ülése 50:8 arányban, 15 tartózkodás mellett elfogadta a tovább bővített amerikai javaslatot, amely felkérte az ENSZ főtitkárát: jelöljön ki bizottságot a magyarországi helyzet megvizsgálására.
Az áldozatok száma november 4-én a fővárosban 135 volt. A KSH 1957. januári jelentése szerint az októberi 23. és január 16. közötti események embervesztesége országos viszonylatban 2652 halott (Budapesten 2045) volt, és 19 226-an (Budapesten 16 700-an) sebesültek meg. A forradalom leverését követő megtorlásban az ENSZ bizalmas adatai alapján 453 embert végeztek ki, az 56-os Intézet szerint több mint 340 volt a kivégzettek száma az 1956-os eseményekhez kapcsolódóan. 1958-ban bírósági ítélet nyomán életükkel fizettek a vezető személyiségek: Nagy Imre, Maléter Pál, Gimes Miklós, Losonczy Géza és Szilágyi József.
