Elokuussa 1953 šaahi yritti erottaa Mossadeqin, ja hänen tilalleen oli tarkoitus nimittää kuningasmielinen kenraali Fazlollah Zahedi. Maassa syttyi kuitenkin laajoja šaahin vastaisia mellakoita ja šaahi joutui pakenemaan maasta. Mossadeq joutui nyt hillitsemään mellakointia, mikä etäännytti hänet monista tukijoistaan ja Tude-puolueesta. 19. elokuuta kokoontui Mossadeqin vastainen mielenosoitus. Monet osallistujista olivat paikalla Yhdysvaltain keskustiedustelupalvelun eli CIA:n innoittamana tai jopa maksamana. Pian käynnistyi vallankaappaus, jonka CIA tunsi koodinimellä operaatio Ajax. Armeija ja kenraali Zahedi ottivat vallan, Mossadeq pidätettiin ja šaahi palasi maahan. Mossadeq pantiin sotaoikeuteen maanpetoksesta, josta hän sai kolmen vuoden vankeustuomion. Tuomionsa jälkeen häntä pidettiin kotiarestissa Teheranissa kuolemaansa saakka 5. maaliskuuta 1967.