Mossadeqin pikainen paluu sai Britannian ja Yhdysvallat ryhtymään suunnittelemaan vallankaappausta Mossadeqin syrjäyttämiseksi. Etenkään Yhdysvallat ei pitänyt siitä, että Mossadeq oli päässyt sopuun ja teki yhteistyötä Tude-puolueen kanssa. Kylmän sodan ilmapiirissä Yhdysvallat pelkäsi että Iran ajautuisi Neuvostoliiton vaikutuspiiriin. Britannia ja Yhdysvallat liittoutuivat šaahi Muhammad Reza Pahlavin kanssa Mossadeqin syrjäyttämiseksi ja elokuussa 1953 he käynnistivät Operaatio Ajaxin, kuten CIA operaatiota kutsui. Suunnitelman mukaisesti šaahi nimitti monarkistimielisen Fazlollah Zahedin pääministeriksi. Suunnitelma näytti kuitenkin epäonnistuvan aluksi, sillä Mossadeq kieltäytyi eroamasta, šaahi pakeni maasta ja syntyi monarkian vastaisia mellakoita. Mossadeq lähetti armeijan ja poliisivoimat hillitsemään tilannetta, mikä osoittautui virheeksi. Mielipiteet kääntyivät häntä vastaan ja pari päivää myöhemmin kansa marssi kaduilla Mossadeqin vastaisissa mielenosoituksissa. Mossadeqin joukot jäivät alakynteen šaahia kannattavia joukkoja vastaan, Mossadeq pidätettiin, šaahi palasi maahan ja Zahedi jatkoi pääministerinä. Mossadeq tuomittiin maanpetoksesta ja kuninkaanvallan kaatamisyrityksestä kotiarestiin, missä hän eli kuolemaansa saakka, vuoteen 1967.