השיירה נעצרה במחסום בבית דגן שאויש על ידי אנשי חטיבת קרייתי שניסו לעצור את התקדמותה. הם סירבו להישמע לפקודה לחזור לבסיס. בקרב שהתפתח נהרגו שני אנשי אצ"ל. אחד מהם היה ויקטור-אריה פקולה ומספר חיילי צה"ל נפצעו. שיירת אנשי אצ"ל גברו על כוח צה"ל, פרצו את המחסום, בזזו את הציוד הצבאי שהיה במקום והמשיכו בנסיעה מהירה לעבר חוף הים. בן-גוריון דיווח על התקרית בישיבת הממשלה למחרת, באמרו כי הכוח חסם את הדרך וכי אנשיו מנעו ממנו לשוב לתל אביב בשל כך.
ניסיונות תיווך ב-21 ביוני.
במשך 21 ביוני ניסה שר הפנים ונציג הציונים הכלליים יצחק גרינבוים לקיים דיונים עם אנשי האצ"ל שהיו מעורבים בהסדר הקודם. הצעתו הייתה שהנשק יוכנס למחסנים תחת שמירה משותפת של האצ"ל ושל צה"ל, והנשק יהיה מיועד לציוד הגדודים של צה"ל. גרינבוים היה סבור שהמטרה היא לא להכניע את אצ"ל בכל מחיר, אלא לסיים את הפרשה בשלום - גם על ידי משא ומתן. הצעת גרינבוים הייתה שהנשק יימסר לצבא, לפי מה שהוסכם קודם, תופרש 20% מכמות הנשק לירושלים (לא ברור אם החלוקה היא בידי אצ"ל או צה"ל) הצבא יתחשב בכך שאצ"ל הביא את הנשק וקודם כל יופרש חלק מהנשק להשלמת ציודם של שני גדודי אצ"ל אם נדרש, וכן ציוד של גדודי אצ"ל נוספים.
הרב פישמן, גרינבוים ושפירא הציעו לקדם תיווך וישיבת ממשלה. גרינבוים ניסה במשך שעות להגיע לבן-גוריון אבל נכשל בכך. לבסוף כתב מכתב שהגיע אל בן-גוריון בשעות הערב. הוא קיבל תגובה חריפה מבן-גוריון, על כך שהוסכם שלא יהיה משא ומתן נוסף. הנימוקים לכך ניתנו בישיבת הממשלה שהתקיימה למחרת - בעוד שבעיני האצ"ל השאלה המרכזית הייתה ועודנה, כיצד יחולק הנשק, בעיני הממשלה השאלה המרכזית היא כיצד לשמור על סמכות המדינה.
קרב ימי עם אוניות חיל הים.
בשעה 21:15 פנתה אלטלנה לעבר תל אביב. שתי קורבטות, "אח"י וג'ווד" ו"אח"י אילת", בפיקודו של מפקד חיל הים פול שולמן, נשלחו כדי לרדוף אחר אלטלנה ולמנוע ממנה להגיע לחופי תל אביב. כדי למנוע את הטבעתה ניסתה אלטלנה להיצמד ככל האפשר לקרבת החופים. הווג'ווד ואילת ניסו ליצור עם אלטלנה קשר ולבקש ממנה לפנות ללב ים באמתלאות שונות, אולם לנקין עשה עצמו כלא מבין והתעלם מהמסרים.
אח"י אילת ירתה בתותחי 20 מ"מ על אלטלנה, בזמן שזו חמקה דרומה בשעות החשכה. אלטלנה השיבה אש מקלעים שלא פגעה ולא גרמה נזק. בהמשך התפתח קרב ימי קצר עם אח"י וג'ווד, שבו נעשו חילופי אש מקלעים. חייל צה"ל, איש אצ"ל לשעבר, ששירת בוג'ווד נפצע בקרב.
בשתי אוניות חיל הים פרצו מרידות זוטא. ישראלים ומתנדבים שנמנו עם הצוותים סירבו למלא פקודת ירי. לפי משה נקדימון סיפרו לצוותים סיפור כוזב לפיו מדובר באוניית אויב ערבית.
אלטלנה הייתה בעלת יכולות תמרון טובות יותר מאניית חיל הים והיא הצליחה להתחמק לחוף תל אביב.
עגינת האניה בתל אביב.
ב-22 ביוני בשעה 00:30 השליכה אלטלנה עוגן מול מלון "קטה דן", סמוך למטה הפלמ"ח ולרחוב פרישמן. על פי הצעת מפקד האונייה אליהו לנקין, העלה אותה רב החובל מונרו פיין על שרטון, שריד של אוניית המעפילים "טייגר היל" שטבעה ב–1939. נימוקו היה כי "עכשיו יהיה ברור לכל אחד שאונייה על שרטון איננה עוסקת במרידות".
במקום היו כוחות של חיל המשמר (חי"ם) שהורכב מחיילים בעלי כושר לקוי או גיל גבוה. על הגנת תל אביב הופקדה חטיבת קרייתי ויחידות משנה שלה, שנערכו לתפיסת החוף מול האונייה. במהלך הלילה נסגרו רחובות ובתי קפה על הטיילת התרוקנו ממבליהם. נשלחו פטרולים ונערכה כוננות למניעת ירידה מהספינה, עם הוראות לפתיחה באש.
האלוף מיכאל בן-גל, מפקד קרייתי, שלח פקודת מבצע שבה נרשם: "על אוניית נשק שהגיעה לחופי הארץ השתלטו כוחות אצ"ל. ממשלת מדינת ישראל החליטה פה אחד וציוותה לצבא ההגנה לישראל לנקוט בכל האמצעים להעברת הנשק לרשות הממשלה". פקודת המבצע הורתה על גיוס מיידי של "כל הכוחות שבמרחב ההגנה של תל אביב... במגמה לחסום בדרכים ידועות כל תנועה, חוץ מנושאי תעודות ש.ב. (שירות ביטחון), מכוניות אספקה ויחידות צבא שלנו". ברחובות הסמוכים לים היו ממוקמים מטות ומפקדות שונים של צה"ל, שבמטכ"ל התייחסו אליהם כאל יעד אפשרי. בן-גל הורה להגביר את השמירה על מוסדות הממשלה ומרכזים אחרים.
באמצע הלילה נערך ניסיון להוריד סירה מאלטלנה על מנת ליצור קשר עם מפקדת אצ"ל שהייתה ממוקמת בבניין בית החולים "פרויד" ברחוב לילינבלום תל אביב. אש שנורתה מתוך עמדת שקי החול שלמרגלות מטה הפלמ"ח אילצה את הסירה לחזור.
ניסיונות משא ומתן בליל 21–22 ביוני.
בשעות הלילה התקיימו מגעים בין גורמים שונים. שליח העביר פתקים בין בגין על האוניה לבין חיים לנדאו, בכיר במפקדת אצ"ל שהיה מעורב במגעים על המיזוג בצה"ל.
בשעה 03:40 יזם צבי אורבך, מפקד כוחות החי"ם (חיל המשמר) בחטיבת קרייתי, שפיקד על הכוחות בגזרת חוף תל אביב, שיחות בין גלילי וידין שהיו במטכ"ל, לבין לנדאו, איתן לבני, מפקד גדוד אצ"ל בצה"ל ובן ציון קצנלבוגן מוותיקי אצ"ל. בשעה 04:00 לפנות בוקר דיווחו גלילי וידין לבן-גוריון בביתו על כישלון המגעים. לדברי גלילי, בשיחה זו אמר בן-גוריון שלא יהיה מנוס משימוש בכוח, לרבות תותחים. בסיום המפגש הסמיך בן-גוריון את שניהם להמשיך לנהל את המגעים עם אצ"ל והורה להם לנקוט "שפה איתנה" במשא ומתן עם נציגיו. גם סבב נוסף של שיחות כשל.
בבוקר ניסה מפקד חיל המשמר להידבר עם האנייה אך הוא סולק ממנה.
ישיבת הממשלה בבוקר 22 ביוני.
בישיבת הממשלה באותו בוקר האשים בן-גוריון את פיקוד האצ"ל בהפרת ההסכמים. הוא טען שאלטלנה נכנעה בלילה לספינות חיל הים, שהדביקו אותה בחוף תל אביב, אבל לאחר מכן התעלמה מפקודה לשוב אל קיסריה. בן-גוריון סיפר לשרים כי בשעות הבוקר התנהל משא ומתן עם פיקוד האצ"ל על האוניה, במהלכו הם נדרשו לתת לנציג הממשלה לעלות לאוניה, כדי להגיש את תביעות הממשלה, אולם אנשי האצ"ל התנו את הסכמתם בכך, שמפקדי האצ"ל יורשו גם הם לעלות על סיפונה להתייעצות, דרישה שנדחתה על ידי מנהלי המשא ומתן מטעם הממשלה הזמנית. לסיכום אמר בן-גוריון: "מתברר שזו הייתה תרמית: הודיעו שנכנעים - ולא נכנעו."
במהלך הישיבה תודרכו השרים לגבי אירועי יום אמש ולגבי עגינת האוניה בחוף תל אביב. בקרב חברי הממשלה, שהשתתפו בישיבה, התגלעו חילוקי דעות ביחס לדרך הטיפול באלטלנה. נציגי מפ"ם (אהרן ציזלינג ומרדכי בנטוב) ומפא"י (בן-גוריון, משה שרת ואליעזר קפלן) בממשלה, בתמיכת השרים פליכס רוזנבליט ובכור שיטרית תמכו בנקיטת גישה תקיפה ובלתי מתפשרת כלפי אנשי האצ"ל על האונייה, בעוד נציגי המפלגות הדתיות (משה חיים שפירא והרב פישמן) והציונים הכלליים (יצחק גרינבוים ופרץ ברנשטיין) תמכו בגישה פשרנית יותר, ובהמשך ניהול משא ומתן עם נציגי אצ"ל, בתקווה להגיע בכל זאת לפשרה מוסכמת. מרבית השרים ראו בפעולות האצ"ל מרד כנגד סמכות הממשלה הזמנית. הם העלו חששות שונים כמו פרוץ מלחמת אחים בשל הפרשה, ופגיעה אנושה ביכולת להחזיק מעמד מול צבאות ערב.
גרינבוים הסביר במהלך ישיבה את הצעת הפשרה שלו לסיום המשבר עם האצ"ל. הוא הביע חשש, שהפעלת כוח צבאי להכנעת אלטלנה, עלולה לדחוף את הארגון לחזור בו מהסכמתו להשתלב במסגרת צה"ל, ולרדת שוב למחתרת, הפועלת נגד ממשלת ישראל. יחד עם הרב פישמן ומשה שפירא, הוא הציע להפסיק את העימות הצבאי עם האצ"ל ולבחור וועדת שרים בת שלושה חברים, לניהול משא ומתן עם נציגיו. רוב השרים התנגדו לקיום משא ומתן כזה. שר החוץ, משה שרת טען בתקיפות כי לא מדובר כאן בריב בין "שתי כנופיות" אלא בארגון שמפר הסכם עם הממשלה וממאן להשמע להוראותיה. בעוד שבתחילת הפרשה, ובעיני אצ"ל גם בסופה - "העיקר היה עניין חלוקת הנשק" מצהירים בן-גוריון ושרת כי "העיקר היה סמכות מדינת ישראל" - ולכן אין להיכנס למשא ומתן נוסף עד לקבלת תנאי הממשלה על ידי האצ"ל.
לפי בן-גוריון:
בשלב זה אנשי האצ"ל עדיין קיוו לפרוק את הנשק שנותר באוניה בחוף תל אביב, ולאחר מכן להגיע להסדר כלשהו עם הממשלה. לממשלה הזמנית היה ברור בשלב זה, כי לאחר גילוי האניה, והגעתה לחוף תל אביב, לא ניתן עוד להסתיר את פריקת הנשק ממנה ממשקיפי האו"ם, וישראל אינה יכולה להרשות לעצמה את המחיר המדיני של פריקת הנשק מאלטלנה בניגוד להחלטת האמברגו של מועצת הביטחון של האו"ם. עוד קודם לכן עלה חשש מכך, שמועצת הביטחון עלולה למנוע הגעה של אוניות עם עולים מאירופה לישראל, אם ברנדוט לא יסמוך על הבטחות ממשלת ישראל. שרת אמר במהלך הישיבה, כי לאחר תום ההפוגה השנייה, הוא יצליח לשכנע את האו"ם למסור את הנשק הנותר לידי צה"ל. כמו כן שרי הממשלה חששו מהפצצת האניה על ידי הערבים מיד בתום ההפוגה. הממשלה החליטה כי לאחר כניעת האוניה, היא תבקש מנציגי האו"ם לפרוק את הנשק ממנה, כדי לשים אותו תחת פיקוח האו"ם, או לחלופין להשאיר את הנשק על האוניה תחת פיקוח האו"ם עד לגמר ההפוגה. הממשלה גם החליטה כי אם האוניה תציע להפליג חזרה לים ולחזור רק באישור הממשלה, היא תשקול את הנושא מאוחר יותר, בהתאם לתפיסה כי הנושא העיקרי העומד על הפרק הוא לא גורל הנשק שעל האונייה, אלא הציות לסמכותה של הנהגת המדינה היהודית הצעירה (הממשלה הזמנית).